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Universidade Federal do Triângulo Mineiro Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas Programa de Mestrado Profissional em Inovação Tecnológica Willian Cardoso Gonçalves da Rocha Purificação da Cefalosporina C por cromatografia de troca iônica em coluna de leito fixo Uberaba 2014

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Universidade Federal do Triângulo Mineiro

Instituto de Ciências Tecnológicas e Exatas

Programa de Mestrado Profissional em Inovação Tecnológica

Willian Cardoso Gonçalves da Rocha

Purificação da Cefalosporina C por cromatografia de troca iônica em coluna

de leito fixo

Uberaba

2014

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Willian Cardoso Gonçalves da Rocha

Purificação da Cefalosporina C por cromatografia de troca iônica em coluna de leito

fixo

Dissertação apresentada ao Programa de

Mestrado Profissional em Inovação

Tecnológica da Universidade Federal do

Triângulo Mineiro, como parte dos

requisitos necessários para obtenção do

título de mestre.

Orientadora: Profª. Drª. Ana Claudia

Granato Malpass

Co-orientador: Prof. Dr. Marlei Barboza

Passoto

Uberaba

2014

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Dedicatória

Primeiramente a Deus, que na sua infinita bondade me deu forças para poder

superar mais esse desafio em minha trajetória.

Aos meus pais, que sempre com muito amor me ensinaram a maior lição da vida

que é ser um homem de caráter e estão comigo sempre.

Aos meus amigos, da “Galera do abadá”, André, Fernanda, Franco, Gustavo, Wilian,

Anderson, André, Bruno, Naidel e Daniel, aos meus amigos de Uberaba, André,

Solon, Johnny, Tiago, Rogério, Alexandre, Cadu e João, pela amizade, por

compartilharem os momentos bons e ruins, pelo apoio e confiança.

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Agradecimentos

Aos meus orientadores, professora Ana Claudia pela enorme compreensão, apoio,

dedicação, motivação, ensinamentos e amizade demonstradas nos momentos mais

críticos e ao longo de todo este período de trabalho. E ao professor Marlei pela

oportunidade concedida, pelos ensinamentos, por confiar em mim para executar

este projeto e pela amizade dedicada. Tenho certeza que, em breve, Deus lhe dará

forças para superar essa batalha e o colocará em condições de estar conosco

novamente.

Ao professor Geoffrey, pelo apoio ao emprestar seus equipamentos e ajuda na

interpretação de dados do trabalho, à professora Mônica pelo apoio quando foi

necessário e por participar com sugestões na qualificação. Ao professor Marcelo por

também participar com sugestões na qualificação.

À Thaíla minha companheira de mestrado por me ajudar diversas vezes durante

este trabalho e por compartilhar sua amizade comigo.

A toda equipe de funcionários do ICTE da UFTM pela ajuda prestada em vários

momentos.

Ao pessoal da UFSCar, pelo auxílio em me emprestar materiais e realizar as

análises de HPLC necessárias para a conclusão do trabalho.

Aos meus companheiros de trabalho do time de laboratório da FMC, pelos

ensinamentos e amizade. Em especial ao Luis Borges pela oportunidade dada e

confiança demonstrada.

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“Mil cairão ao teu lado, e dez mil à tua direita, mas não chegará a ti.”

(Salmos 91:7, A Sagrada Bíblia.)

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SUMÁRIO

RESUMO.......................................................................................................................I

ABSTRACT..................................................................................................................II LISTA DE ILUSTRAÇÕES.........................................................................................III LISTA DE TABELAS...................................................................................................V LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS...............................................................VI

1. INTRODUÇÃO.........................................................................................................1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................4

2.1 CEFALOSPORINA C (CPC)..............................................................................4

a) Descoberta.....................................................................................................4

b) Estrutura química..........................................................................................4 c) Mecanismos de atuação e inibição..............................................................5 d) Via metabólica biossintética........................................................................6 e) Produção......................................................................................................10

2.2 PROCESSO DE DOWNSTREAM: OPERAÇÕES UNITÁRIAS ENVOLVIDAS NO PROCESSO DE RECUPERAÇÃO E PURIFICAÇÃO DE PRODUTOS ORIUNDOS DE BIOPROCESSOS........................................................................13 2.3 PROCESSO DE ADSORÇÃO.........................................................................16

2.3.1 Mecanismos de separação....................................................................17 2.3.2 Propriedades dos adsorventes.............................................................19 2.3.3 Relações de equilíbrio no processo de adsorção...............................20 2.3.4 Modos de operação................................................................................24

2.3.5 Adsorção por troca iônica.....................................................................28

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2.3.6 Purificação da CPC através de processos de adsorção.....................30

3. MATERIAIS E METODOLOGIA............................................................................33

3.1 PREPARO DAS COLUNAS E CORRIDAS CROMATOGRÁFICAS................33

3.2 CÁLCULOS DOS PARÂMETROS DA COLUNA.............................................37 3.3 CINÉTICA E ISOTERMA DE ADSORÇÃO......................................................40 3.4 SEPARAÇÃO CPC E METIONINA..................................................................41

4. RESULTADOS.......................................................................................................43

4.1 PERFIS DE ELUIÇÃO DA CPC.......................................................................43 4.2 CURVAS DE RUPTURA DA CPC...................................................................48 4.3 CINÉTICA E ISOTERMA DE ADSORÇÃO......................................................57

4.3.1 Cinética de adsorção da CPC na resina IRA410................................57

4.3.2 Isoterma de adsorção da CPC na resina IRA410 a 30°C...................59

4.4 SEPARAÇÃO CPC METIONINA.....................................................................61

5. CONCLUSÕES......................................................................................................65 6. TRABALHOS FUTUROS.......................................................................................67

7. REFERÊNCIAS......................................................................................................68 ANEXO.......................................................................................................................72

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I

RESUMO

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de avaliar a viabilidade do processo de

purificação do antibiótico Cefalosporina C (CPC) através da cromatografia de troca-

iônica em coluna usando como fase estacionária a resina de troca aniônica

Amberlite IRA 410. Apesar do uso da cromatografia por troca iônica ser conhecida

no processo de purificação da CPC, a maioria da literatura disponível encontra-se na

forma de patentes, isso restringe o acesso ao conhecimento do processo como um

todo. Para avaliar a viabilidade do uso da resina de troca aniônica amberlite IRA 410

no processo de purificação da CPC foram realizados experimentos usando uma

coluna cromatográfica empacotada com a resina. Na primeira etapa estudou-se a

interação da CPC com a resina. Estes experimentos mostraram que a resina é

capaz de adsorver bem a CPC, com pico bem definido e perfil de adsorção e eluição

similar nas concentrações estudadas. Foram obtidas também as curvas de ruptura

da CPC, em três diferentes vazões. E através das mesmas alguns parâmetros que

são importantes, como eficiência do uso do leito, eficiência de recuperação do

produto e produtividade foram calculados. Os resultados mostraram que o processo

em coluna tem eficiências de remoção de CPC acima de 90% para todas as vazões

estudadas. Também foi estudado o processo de adsorção da CPC na resina através

curva de cinética e da isoterma de adsorção a 30°C, mostrando que o processo

atinge o equilíbrio rapidamente e para concentrações estudadas obteve-se dados

que foram melhores ajustados ao modelo linear de isoterma. Por fim, testou-se a

possibilidade de purificar um caldo simulado contendo a CPC e o aminoácido

metionina, a estratégia usada para separação dos componentes foi satisfatória e foi

possível promover a separação da CPC e a metionina nas condições estudadas.

Palavras-chave: Cefalosporinas, Cromatografia, Troca iônica.

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II

ABSTRACT

This work was to evaluate the feasibility of the process of purification of the antibiotic

cephalosporin C (CPC) by ion-exchange chromatography column as stationary

phase using the anion exchange resin Amberlite IRA 410. Spite of the use of

chromatography be known in ion exchange purification of the CPC process, most of

the available literature is in the form of patents, that restricts access to the knowledge

of the process as a whole. To evaluate the feasibility of using anion exchange resin

Amberlite IRA 410 in the purification process of the CPC experiments were

performed using a chromatographic column packed with the resin. In the first step we

studied the interaction of CPC with the resin. These experiments showed that the

resin is able to adsorb much CPC with well-defined peak and similar adsorption and

elution profile at the concentrations studied. The breakthrough curves of CPC were

also obtained at three different flow rates. And through some of the same parameters

that are important, such as efficient use of the bed, recovery efficiency and product

yield were calculated. The results showed that the process has column CPC removal

efficiencies above 90% for all flow rates studied. The adsorption of CPC was studied

using the resin kinetics and adsorption isotherm at 30°C curve showing the process

rapidly reaches equilibrium concentrations studied and obtained data were best fi tted

to a linear isotherm model. Finally, we tested the possibility to purify a simulated

broth containing the CPC and the amino acid methionine, the strategy used for the

separation of components was satisfactory and it was possible to promote the

separation of CPC and methionine under the conditions studied.

Keywords: Cephalosporins, Chromatography, Ion Exchange.

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III

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 - MOLÉCULA DA CEFALOSPORINA C (CPC)..........................................5

FIGURA 2 - PERFIL DE CONCENTRAÇÃO DE GLICOSE, CRESCIMENTO

CELULAR E DE PRODUÇÃO DE CPC DURANTE UMA FERMENTAÇÃO EM BATELADA ALIMENTADA...........................................................................................7 FIGURA 3 - ROTA BIOSSINTÉTICA DA CPC.............................................................8

FIGURA 4 - MECANISMOS CROMATOGRÁFICOS.................................................18

FIGURA 5 - MODELOS DE ISOTERMAS COMUNS: LINEAR, FREUNDLICH E LANGMUIR.................................................................................................................22

FIGURA 6 - PERFIS CINÉTICOS DA ADSORÇÃO DA CPC NA RESINA NEUTRA

XAD2..........................................................................................................................23

FIGURA 7 - PERFIS DE CONCENTRAÇÃO DO ADSORBATO NA COLUNA.........26 FIGURA 8 - ESQUEMA DE MONTAGEM DE COLUNA CROMATOGRÁFICA........27 FIGURA 9 - MECANISMO DE TROCA IÔNICA........................................................29 FIGURA 10 - COLUNAS USADAS NO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL...........33 FIGURA 11 - ESPECTRO DE ABSORBÂNCIA DA CPC NA REGIÃO DO ULTRAVIOLETA.........................................................................................................35

FIGURA 12 - ARRANJO EXPERIMENTAL COM CONTROLE DE TEMPERATURA E VAZÃO.......................................................................................................................36 FIGURA 13 - REPRESENTAÇÃO DA CURVA DE RUPTURA COM A DIVISÃO EM ÁREAS.......................................................................................................................39 FIGURA 14 – COMPARATIVO DOS CROMATOGRAMAS DA CPC NAS DIFERENTES CONCENTRAÇÕES ESTUDADAS....................................................45

FIGURA 15 - PERFIL DE ELUIÇÃO DA CPC APÓS TENTATIVA DE OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO.........................................................................................................47 FIGURA 16 – COMPARATIVO DAS CURVAS DE RUPTURA DA CPC NAS VAZÕES DE 2,8, 4,0 E 5,3 mL.min-1.........................................................................49 FIGURA 17 – COMPARATIVO DAS CURVAS DE RUPTURA COM CONTROLE DE TEMPERATURA E VAZÃO.......................................................................................53

III

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IV

FIGURA 18 – CINÉTICA DE ADSORÇÃO DA CPC NA RESINA IRA410 A 30°C...57 FIGURA 19 – AJUSTE DA CINÉTICA DE ADSORÇÃO DA CPC NA RESINA IRA410 AOS MODELOS DE REAÇÃO DE PRIMEIRA E SEGUNDA ORDEM......................58 FIGURA 20 ISOTERMA DE ADSORÇÃO DA CPC NA RESINA IRA410 A TEMPERATURA DE 30°C.........................................................................................60 FIGURA 21 CROMATOGRAMA OBTIDO DA SEPARAÇÃO ENTRE CPC E

METIONINA................................................................................................................62

FIGURA 22 ESTADOS DA MOLÉCULA DA METIONINA DE ACORDO COM SEU

pK...............................................................................................................................63

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V

LISTA DE TABELAS TABELA 1 - EXEMPLOS DE CEFALOSPORINAS SEMISSINTÉTICAS....................5 TABELA 2 - PRINCIPAIS OPERAÇÕES UNITÁRIAS ENVOLVIDAS EM CADA ETAPA DO PROCESSO DE DOWNSTREAM...........................................................15

TABELA 3 - PRINCIPAIS MATERIAIS USADOS COMO ADSORVENTES EM PROCESSOS DE ADSORÇÃO.................................................................................19 TABELA 4 - CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS USADAS PARA OBTENÇÃO DAS CURVAS DE RUPTURA DA CPC EM COLUNA EMPACOTADA COM A RESINA IRA 410 EXP. 1, 2, 3..................................................................................................35 TABELA 5 - CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS USADAS PARA OBTENÇÃO DAS CURVAS DE RUPTURA DA CPC EM COLUNA EMPACOTADA COM A RESINA IRA 410 EXP. 4, 5, 6..................................................................................................36 TABELA 6 - PARÂMETROS EXPERIMENTAIS PARA OTIMIZAÇÃO DA ELUIÇÃO DA CPC......................................................................................................................37 TABELA 7 - CONDIÇÕES USADAS PARA A OBTENÇÃO DAS CURVAS DE RUPTURA COM CONTROLE DE VAZÃO E TEMPERATURA.................................37 TABELA 8 - PARÂMETROS DA COLUNA NAS TRÊS VAZÕES ESTUDADAS.......50

TABELA 9 - PARÂMETROS DA COLUNA PARA OS EXPERIMENTOS REALIZADOS COM CONTROLE DE TEMPERATURA E VAZÃO............................55

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VI

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

CPC - Cefalosporina C

Cef C - Cefamicina C

DAC - Deacetilcefalosporina C

DAOC - Deacetoxicefalosporina C

Co - Concentração inicial

C - Concentração na saída da coluna

Cf* - Concentração final na fase líquida

q* - Concentração final na fase sólida

t - tempo

tb - Tempo de ruptura

tu - Capacidade usada do leito

tt - Tempo total

te - Capacidade estequiométrica do leito

εf - Eficiência de uso do leito

εr - Eficiência de remoção do soluto

P- Produtividade da coluna

A1 - Área referente à região de uso eficiente do leito da curva de ruptura

A2 - Área referente à região de capacidade do leito da curva ruptura

A3 - Área referente à região de uso ineficiente do leito da curva de ruptura

K - Constante dos modelos de isotermas

R2 - Coeficiente de correlação do ajuste dos dados

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1

1. INTRODUÇÃO

A descoberta dos antibióticos β-lactâmicos se deu por acaso em 1929,

quando A. Flemming notou que o crescimento de colônias bacterianas havia sido

inibido por alguma contaminação presente no meio de cultura. Sua investigação

levou-o a descobrir que sua cultura havia sofrido uma contaminação pelo fungo

Penicillium chrysogenum. A substância responsável pela inibição do crescimento

das colônias bacterianas produzida pelo fungo foi descoberta, caracterizada e

recebeu o nome de penicilina (MUNIZ et al, 2007).

O sucesso da penicilina para fins terapêuticos alavancou a indústria de

produtos biotecnológicos. Esse sucesso também fez com que surgissem novas

linhas de pesquisa, tanto no desenvolvimento de novas moléculas quanto também

no melhoramento de processos produtivos e de purificação de compostos

antimicrobianos.

Em 1945 uma nova classe de β-lactâmicos foi descoberta por G. Brotzu ao

pesquisar sobre a febre tifoide na Itália. Após alguns anos, essa nova classe foi

caracterizada e nomeada como cefalosporinas (MUNIZ et al, 2007). O mecanismo

de atuação das cefalosporinas é semelhante ao das penicilinas inibindo a síntese da

parede celular das bactérias, porém é mais resistente às β-lactamases bacterianas.

Seu amplo espectro de ação possibilita o combate a patógenos Gram-positivos e

Gram-negativos (PAGE e LAWS, 2000).

Além das penicilinas e cefalosporinas, existem também os carbafens, as

clavamas e as monobactanas. Todas essas classes de compostos β-lactâmicos tem

em comum a presença do anel β-lactâmico que é diretamente responsável pela

atividade antimicrobiana. As diferenças entre as classes se baseiam no segundo

anel ligado ao anel β-lactâmico, e na posição onde são inseridos alguns ligantes

(DEMAIN e ELANDER, 1999).

Os compostos β-lactâmicos respondem por uma importante fatia do

mercado de antimicrobianos. No ano de 2009 as vendas das cefalosporinas

atingiram um total de US$ 11,9 bilhões, representando 28% do total de antibióticos

vendidos no mundo todo, o maior percentual dentre todas as classes de β-

lactâmicos (HAMAD, 2010). Os grandes valores econômicos aliados aos bons

resultados terapêuticos demonstram a importância desses compostos, e dessa

forma, o interesse no desenvolvimento de novas moléculas e também o

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2

melhoramento dos processos produtivos e de purificação se tornaram áreas de

extensa investigação.

A literatura existente referente aos compostos β-lactâmicos é extensa e

nota-se também a existência de diversas patentes ligadas à produção e purificação

destes compostos. Dentro do grupo das cefalosporinas, a cefalosporina C (CPC) se

destaca, apesar de não ser usada diretamente como medicamento, é precursora de

diversas cefalosporinas semissintéticas, excelentes antimicrobianos de amplo

espectro contra patógenos Gram-negativos (DEMAIN e ELANDER, 1999).

A produção da CPC é realizada via fermentação submersa pelos fungos

Cephalosporium acremonium e Acremonium chrisogenum. Devido à complexidade

do caldo fermentativo, de onde se extrai o antibiótico, são necessárias diversas

etapas de purificação, sendo que as mesmas são responsáveis por cerca de 50% do

custo total de produção do antibiótico. Dentre as operações envolvidas no processo

de recuperação da CPC, podem ser citadas: Moagem para o rompimento das

células, centrifugação, filtração em diversas escalas, purificação de baixa resolução

por extração e ultrafiltração, e purificação de alta resolução normalmente realizada

por cromatografia (ELANDER, 2003).

As etapas de purificação da CPC devem proporcionar alta pureza do produto

recuperado, devido à finalidade de uso que é produzir fármacos. Dessa forma, a

técnica mais comumente usada para atingir esse objetivo é a cromatografia de

adsorção em colunas de leito fixo. Na literatura encontram-se diversos estudos a

cerca da purificação da CPC usando cromatografia por adsorção com resinas

neutras. Através desta técnica é possível obter a molécula com alto grau de pureza,

porém, a capacidade de adsorção dessas resinas é baixa (BARBOZA, ALMEIDA e

HOKKA, 2003). Esse fato motiva a investigação de alternativas para se purificar o

caldo fermentativo de produção da CPC.

A técnica de cromatografia por troca-iônica apresenta-se como uma

possibilidade para purificar a CPC, haja vista o emprego desta técnica na purificação

de outros antibióticos β-lactâmicos como a cefamicina C (OLIVEIRA et al, 2011) e o

ácido clavulânico (BARBOZA, HOKKA e MAUGERI, 2002). Apesar desta técnica já

ter sido investigada na purificação de outros antibióticos, na literatura pouco se

encontra sobre a aplicação da mesma na purificação da CPC. Encontram-se apenas

patentes a cerca do tema (Mc CORNICK e MACK, 1969; VOSER, 1973).

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3

O objetivo principal do presente trabalho foi verificar a viabilidade do uso da

técnica de cromatografia de troca iônica no processo de purificação da CPC

empregando-se a resina amberlite IRA410 de troca aniônica como recheio da

coluna.

Os objetivos específicos foram: Obter o perfil de eluição da CPC após a

passagem da mesma através de uma coluna recheada com a resina. Obter as

curvas de ruptura da CPC na coluna e os parâmetros operacionais do sistema. E por

último, promover a separação da CPC do aminoácido metionina tido como

contaminante a partir de um caldo simulado contendo a CPC e o aminoácido.

Primeiramente estudou-se a interação da resina com uma solução contendo

apenas a CPC. Esta etapa foi abordada de duas formas. Na primeira foram

realizados experimentos que permitissem a obtenção do perfil de adsorção e

dessorção da CPC na resina IRA 410 usando solução de NaCl 4,0% m/V na etapa

de eluição. Os resultados mostraram que a resina é capaz de adsorver a CPC em

diferentes concentrações e a solução de NaCl consegue deslocar a CPC da resina

fazendo com que ela seja eluída da coluna. Na segunda etapa foram obtidas as

curvas de ruptura da CPC na coluna em diferentes vazões. Através da curva de

ruptura é possível obter parâmetros importantes, como a eficiência de uso do leito e

a produtividade do processo. Por fim, testou-se a tentativa de separação da mistura

de CPC com o aminoácido metionina, presente no caldo fermentado e tido como

contaminante.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 CEFALOSPORINA C (CPC):

A) Descoberta: A cefalosporina C (CPC) pertence à classe das

Cefalosporinas e leva essa nomenclatura pelo fato de ter sido a primeira molécula

deste grupo a ser descoberta. Esse composto foi descoberto em 1945, quando o

Professor G. Brotzu investigava casos de febre tifoide na ilha da Sardenha, durante

suas observações ele notou que um grupo de pessoas que se banhava em águas

residuais não contraia a doença. Seus estudos mostraram que a água continha o

fungo Cephalosporium acremonium, e que o mesmo era capaz de produzir uma

substância que inibia o crescimento da Salmonella typhii, bactéria que causa a febre

tifoide. Brotzu então enviou amostras desse fungo para Newton e Abraham em

Oxford. Em 1955, esses pesquisadores descobriram que essa cepa produzia uma

substância capaz de inibir o crescimento de bactérias Gram-positivas e Gram-

negativas, além de ser estável em pH ácido e também resistente às β-lactamases

bacterianas. Essa substância foi isolada, caracterizada e nomeada como

Cefalosporina C (CPC) (MUNIZ et al, 2007; DEMAIN e ELANDER, 1999).

B) Estrutura Química: As cefalosporinas apresentam como característica

marcante a presença de uma parte da molécula formada pelo anel β-lactâmico

ligado a outro anel de 6 membros denominado de di-hidrotiazina. Esse núcleo

bicíclico é denominado núcleo Cefem e esse núcleo é comum a todas as classes de

cefalosporinas. No caso da CPC o esqueleto principal da molécula é constituído pelo

ácido 7-aminocefalosporânico (7-ACA), composto pelo núcleo cefem mais a cadeia

lateral D-α-ácido aminoadípico, todos esses grupos podem ser observados na figura

1.

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Figura 1 - A molécula da cefalosporina C, em detalhe as principais regiões da molécula.

N

SNO

NH2

OO

OHO

O O

CH3

OH

Anel lactâmico

Anel di-hidrotiazina

Núcleo Cefem

Ácido 7-ACA

H

Fonte: O AUTOR, 2014 (Desenho no programa ChemWindow).

C) Mecanismos de atuação e inibição: A CPC não é um antibiótico potente

quando usado diretamente, e por isso, não é comercializada para fins terapêuticos,

seu uso principal é como precursor de cefalosporinas semissintéticas, que são

antibióticos mais potentes e de amplo espectro, capazes de combater patógenos

gram-positivos e negativos, além de apresentarem maior resistência às β-

lactamases bacterianas. As cefalosporinas semissintéticas são produzidas a partir

de modificações estruturais na molécula da CPC e são classificadas em gerações,

de acordo com seu espectro de ação e sua resistência às β-lactamases (ELANDER,

2003). Na tabela 1 são citadas algumas moléculas e suas respectivas gerações.

Tabela 1 - Exemplos de Cefalosporinas semissintéticas.

Geração Cefalosporinas semissintéticas

1ª Geração Cefalotin, cefradina, cefadroxila, cefazolin, cefalexina.

2ª Geração Cefuroxina, cefaclor, cefotetam, cefmetazola, cefonicida.

3ª Geração Cefixima, ceftibutena, cefizoxima, ceftriaxona, cefamandol

Cefoperazona, cefotaxima, proxetil,

Cefprozil, ceftazidima, cefuroxima, cefpodexima.

4ª Geração Cefepima.

Fonte: (Adaptado de ELANDER, 2003).

Existem diversas classes de antibióticos β-lactâmicos, como as pencilinas,

as cefalosporinas, as clavamas e os carbapenens. Esses antibióticos apresentam

mecanismo de atuação semelhante, atuando na inibição das enzimas

transpeptidases bacterianas, responsáveis pela catálise da reação de formação das

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ligações cruzadas da parede celular. O efeito da inibição dessa reação gera uma

parede celular fraca e de fácil rompimento. A ação antibacteriana dos compostos β-

lactâmicos está intimamente ligada ao anel -lactâmico. A reação se baseia na

acilação de sítios nucleofílicos da enzima, modificando seu sítio ativo e fazendo com

que a mesma perca sua atividade (PAGE e LAWS, 2000). A inibição da atividade

dos compostos β-lactâmicos é realizada pela enzima bacteriana β-lactamase, essa

enzima cliva o anel β-lactâmico e gera como produto um composto sem atividade

antibacteriana (FISHER, MEROUEH e MOBASHERY, 2005).

D) Via metabólica biossintética: Segundo Demain, a molécula da CPC é

resultado do metabolismo secundário do microrganismo (DEMAIN, 1971).

Inicialmente, durante a fase de crescimento ou fase log, o fungo realiza o

metabolismo primário, sintetizando as proteínas, carboidratos e outras moléculas

que darão origem às organelas necessárias para sobrevivência e reprodução. A

CPC começa a ser observada no meio quando termina a fase de crescimento do

fungo e o mesmo entra na idiofase ou fase lag. Nessa fase observa-se pouco

aumento de biomassa do microrganismo e aumento da concentração de antibiótico

no meio, fruto de reações do metabolismo secundário (CALAM, 1987). Este

comportamento descrito pode ser observado na figura 2, que mostra os perfis de

quantidade de biomassa, de concentração de glicose para alimentação e de

concentração de CPC durante um processo de fermentação.

O metabolismo secundário é composto de reações paralelas às que estão

dedicadas a suprir as necessidades essenciais do organismo e, aparentemente, não

tem importância direta para o crescimento e reprodução dos mesmos, porém, seus

metabólitos se mostram importantes para os mecanismos de defesa da célula

(CUNHA, 1975). E mesmo desempenhando funções bem distintas, as rotas primária

e secundária do metabolismo exibem um complexo mecanismo de regulação,

competindo por moléculas que são intermediárias chaves para ambas.

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Figura 2 - Perfil de concentração de glicose, crescimento celular e de produção de CPC

durante uma fermentação em batelada alimentada com taxa de alimentação de 10,3 ml/h.

(Fonte: Adaptado de SILVA, 1998).

A rota biossintética da CPC começa com a síntese de três aminoácidos, a

valina, a cisteína e o ácido α-aminoadípico. O primeiro passo da via é a reação da

cisteína com o ácido α-aminoadípico, posteriormente, o produto reage com a valina,

originando o tripeptídeo LLD-ACV (δ-(L-α-aminoadipil)-L-cistenil-D-valina). A primeira

e a segunda reações são catalisadas pela enzima aminoadipil-cistenil-valina sintase

(ACV-sintase). Esse intermediário sofre uma reação de ciclização e dá origem à

isopenicilina N, catalisada pela enzima ciclase. Através de uma epimerização a

isopenicilina N é convertida em penicilina. No próximo passo, a penicilina é

convertida pela enzima expandase em Deacetoxicefalosporina C (DAOC) através de

uma expansão no anel, a mesma enzima converte o DAOC em

Deacetilcefalosporina C (DAC), e por fim, o DAC reage com uma acetil-coenzima

catalisada pela enzima Deacetilcefalosporina C acetiltransferase dando origem à

CPC (DEMAIN e ELANDER, 1999).

Durante as últimas décadas com as principais enzimas envolvidas na via

sintética identificadas, bem como os intermediários da via, os estudos mostraram

que a via biossintética das cefalosporinas está intimamente ligada à via das

Penicilinas e também das cefamicinas. Alguns pontos críticos da via se diferem e

levam a formação de um ou outro desses compostos. Outro ponto descoberto é que

nenhum microrganismo é capaz de realizar todas as vias e produzir todos os

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compostos (DEMAIN e ELANDER, 1999). A figura 3 mostra o fluxograma da via

biossintética da CPC.

Figura 3 - Rota sintética da CPC.

(Adaptado de DEMAIN e ELANDER, 1999).

H2N

COOH

COOH

H2N

COOH

SH H2N

COOH

Ácdio-L-a-aminoadípico L-Cisteína L-Valina

ACV Sintase

H2N N

N

SH

COOH O

COOHO

H

H

IPN Sintase

H2N N

NCOOH O

O

S

COOH

H

N

NO

O

S

COOH

H

Penicilina G

DAOC Sintase

H2N N

NCOOH O

O

S

COOH

H

DAC Sintase

HH2N N

NCOOH O

O

S

COOH

OH

DAC-Acetiltransferase

H2N N

NCOOH O

O

S

OCONH2

COOH

H

Cefalosporina C

O-Carbamoil-DAC (OCDAC)

7-a-Hidroxi-OCDAC

Cefamicina C

HH2N N

NCOOH O

O

S

OCOCH3

COOH

OCH3

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Com os processos metabólicos de produção da CPC elucidados, os

pesquisadores passaram então a investigar as possíveis regulações metabólicas

que poderiam resultar em aumento da produção da CPC. Vários estudos reportam

importantes descobertas a cerca do tema. Demain, Newkirk e Hendlin (1963)

demonstraram que através do atraso do metabolismo secundário poderia obter-se

um maior rendimento na produção de CPC. Isso acontece porque no inicio da fase

de crescimento, o microrganismo é sensível ao seu próprio antibiótico. Porém, após

o crescimento, o mesmo torna-se resistente. Os autores testaram o efeito da

manipulação do meio externo, variando a composição da fonte de carboidratos

presente no meio em glicose e sacarose. Como resultado foi observado o consumo

preferencial da glicose na fase de crescimento, resultando em alta taxa de

crescimento do fungo, e quando o microrganismo passou a usar a sacarose como

fonte de carbono observou-se o surgimento do antibiótico no meio. À opção de usar

primeiramente a glicose na fase de crescimento atribuiu-se ao fato deste carboidrato

ser mais facilmente metabolizado, disponibilizando energia rapidamente ao

microrganismo. Outro fato observado mais tarde é o efeito repressor que a glicose

causa em algumas enzimas da via de produção do antibiótico (BEHMER e DEMAIN,

1983).

O fenômeno de consumir preferencialmente um substrato a outro é

denominado diauxia, segundo Schelegel (1990), com Cephalosporium acremonium

acontece com a glicose em relação à sacarose durante a fase de crescimento. A

composição do meio em sacarose e glicose 2,7 e 3,6%, respectivamente, mostrou-

se uma maneira viável de atrasar o metabolismo secundário de produção do

antibiótico em relação ao metabolismo primário, resultando em altas taxas de

crescimento celular e de produção de CPC.

Procurando estabelecer a relação entre a concentração de glicose no meio e

a produção de antibiótico, Zanca e Martin (1983) adicionaram diferentes

concentrações deste carboidrato no momento da inoculação do microrganismo e os

resultados deste experimento mostraram que o crescimento celular era proporcional

a quantidade de carboidrato adicionada. Porém a quantidade de antibiótico

produzido era máxima a uma concentração de cerca de 20 g.L-1 de glicose. Acima

dessa concentração a produtividade caía, indicando o efeito repressor da glicose, e

abaixo deste valor, a produtividade foi prejudicada devido ao baixo crescimento

celular do microrganismo.

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Demain, Newkirk e Hendlin (1963) também mostraram o papel da metiotina

como promotor da produção da CPC. Esse estudo mostrou que a ausência deste

aminoácido durante o processo resulta em uma baixa na produção do antibiótico.

Esse efeito foi creditado ao fato de que a metionina seria a molécula que fornece o

átomo de enxofre para a CPC, sendo convertida na cisteína que entra na via. Mais

tarde, Drew e Demain (1977) descobriram que além de fonte de enxofre, a metionina

estimula algumas enzimas da via metabólica. O estudo de Matsumara (1981), onde

linhagens do C. acremonium são comparadas, mostrou que a capacidade de

acumular a metionina dentro da célula após o período de crescimento celular leva a

melhores níveis de produção de antibiótico pelo microrganismo.

As fontes de nitrogênio também são alvo de estudos visando aumentar a

produtividade de CPC. Shen e colaboradores (1984) estudaram a influência de

fontes orgânicas e inorgânicas de nitrogênio adicionadas ao meio de fermentação,

os resultados mostraram que fontes inorgânicas como o nitrato de potássio levam a

baixos rendimentos na produção de CPC, ao contrário de fontes orgânicas como a

arginina e a asparagina. Os resultados apontaram também que o íon amônio é

capaz de exercer uma influência negativa sobre a atividade de algumas enzimas da

via sintética da CPC, proporcionando decréscimo na produção do antibiótico. Além

dos estudos citando a importância das fontes de carbono, enxofre e nitrogênio

encontram-se ainda na literatura pesquisas que também relatam a influência do

fósforo (ZHANG, WOLFE e DEMAIN, 1988) e da presença de outros compostos

inorgânicos nas culturas que visam produzir a CPC (BAILEY e OLLIS, 1986).

E) Produção: A produção industrial da CPC é realizada atualmente pelo

processo de fermentação em batelada alimentada, em que a matriz energética pode

ser tanto carboidratos simples, complexos ou até mesmo óleos ricos, como o óleo de

soja. Como fonte de nitrogênio no processo são usados semente de algodão e soja,

e também amônia e sulfato de amônia, que contribuem com a regulação do pH. A

água de maceração do milho também é adicionada, contribuindo como fonte de

aminoácidos, vitaminas e elementos traço. A disponibilidade de oxigênio dissolvido é

um fator de extrema importância durante o processo fermentativo, pois, as

expressões máximas das enzimas ciclase e expandase estão intimamente ligadas a

esse fator e essa disponibilidade resulta em rápida produção de CPC. A metionina

também é adicionada no processo e sua função, além de fonte de enxofre, é ajudar

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no aumento da eficiência da transformação do micélio em atrosporo e é na forma de

atrosporo que o microrganismo produz a CPC. O pH e a temperatura do processo

também são controlados e mantidos nas faixas de 6,2 a 7,0 e 24 a 28°C,

respectivamente (ELANDER, 2003).

Apesar da produção em larga escala realizada por batelada alimentada ser

um processo eficiente e de alta produtividade (ELANDER, 2003), encontram-se na

literatura diversos estudos a cerca de variações em parâmetros operacionais

visando reduzir custos e aumentar a produtividade. As fermentações em batelada

alimentada permitem a variação da composição do meio durante o processo. Dessa

forma, é possível realizar fermentações onde os nutrientes necessários para a fase

de crescimento do microrganismo são diferentes daqueles necessários para a

produção do produto de interesse. Em geral os processos em batelada são os mais

usados para a produção de CPC, os estudos envolvendo essa técnica de

fermentação tanto no modo contínuo quanto no modo semi-contínuo mostram

tentativas de testar variações nas condições operacionais que possibilitem controlar

a quantidade de nutrientes, a quantidade de oxigênio, a taxa de crescimento celular

e a presença de inibidores no meio fermentativo para regular o metabolismo do

fungo, a fim de se atingir o máximo de produtividade do antibiótico.

Zhou e colaboradores (1992a) estudaram a influência da concentração de

oxigênio dissolvido na biossíntese da CPC. Usando uma cepa de Cephalosporium

acremonium de alta produtividade e o modo de batelada alimentada em tanque

agitado para a fermentação, os autores monitoraram a concentração de CPC e de

seus precursores penicilina N, DAC e DAOC além de algumas outras moléculas

como a valina, a cisteína, o ácido α-aminoadípico, α-aminoadipil-cisteína e a α-

aminoadipilcistenil-valina, enquanto variavam a concentração de oxigênio dissolvido

no meio entre 5 a 40% do seu valor de saturação. Os resultados quando o oxigênio

dissolvido estava a 5% mostraram que a concentração de CPC diminuiu de 7,2 para

1,1 g.L-1, e a penicilina N aumenta de 2,57 para 7,65 g.L-1. Quanto aos precursores

da CPC, o DAC mostrou grande queda e o DAOC não foi influenciado e os

peptídeos consumidos normalmente. Os autores atribuem o baixo rendimento da

produção de CPC à inibição da enzima expandase devido ao baixo teor de oxigênio

dissolvido no meio. Quando a taxa de oxigênio dissolvido foi para 20% foram

encontradas as melhores taxas de produção da CPC, e rendimento de consumo dos

nutrientes, mostrando que abaixo desta concentração a síntese de CPC é reprimida.

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Acima do valor de 20% de saturação os autores concluíram que a síntese da CPC

não foi afetada.

Os mesmos autores (ZHOU et al, 1992b) estudaram também a influência do

meio de cultura na produção de CPC, monitorando as mesmas moléculas

anteriormente citadas e avaliando a variação da quantidade de nutrientes como:

farinha de amendoim, glicose, fosfato e metionina. Os resultados obtidos mostraram

que o ótimo rendimento ocorre em concentrações de glicose abaixo de 0,5 g.L-1, de

fosfato entre 260 a 270 mg.L-1, 100 g.L-1 de farinha de amendoim, onde a

performance do processos atingiu produtividade máxima de 118 mg.L-1h-1 de CPC,

gerando 11,84 g.L-1 de CPC ao fim do processo, 17,34 g.L-1 de antibióticos totais.

Fatores como pH e temperatura também influenciam diretamente no

processo de crescimento do microrganismo e de produção da CPC. Chu e

Constantinides (1988) reportaram o uso de faixas controladas de pH e temperatura

durante um processo de fermentação em batelada. As faixas usadas nos

experimentos foram de 6,2 a 7,4 para o pH e 24 a 32°C para a temperatura. Os

resultados obtidos mostraram a relação ideal entre os parâmetros e quando os

mesmos foram aplicados, os autores conseguiram uma concentração máxima de

550 mg.L-1 de CPC em uma fermentação de 100 horas.

Observa-se também a tentativa de aumento da produtividade através da

imobilização das células do microrganismo em diferentes materiais. Araújo et al

(1996) reportam o uso desta técnica imobilizando o fungo em partículas de alginato

de cálcio e realizando a fermentação em reator tipo torre. Os resultados mostraram

que a produtividade de CPC por hora foi maior em relação a fermentação realizada

com as células livres, cerca de 1,3 vezes maior, mesmo com o crescimento celular

maior no meio onde as células estavam livres. Porém, a técnica de imobilização

celular apresenta alguns problemas, como, a resistência à transferência de oxigênio

necessária para o microrganismo realizar seu metabolismo.

Outro fator investigado é o uso de outros tipos de modalidade de

fermentação para a produção da CPC. Em um desses estudos, Adinarayana et al

(2003) investigaram o uso da fermentação em fase sólida para produção da CPC.

Os autores sugeriram esse método por ele ser mais barato em vista da fermentação

em meio submerso, pois utiliza-se de matérias-primas não industrializadas como

resíduos de biomassa e também pelo baixo custo de operação. No estudo, os

autores usaram uma cepa de A. chrysogenum e testaram farelo de trigo, de arroz e

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cevada como substratos do meio de cultura sólido. Além disso, os autores

estudaram alguns fatores que poderiam afetar a fermentação, como: umidade inicial,

concentração salina, temperatura, pH, entre outros. Como resultado, obtiveram as

condições ótimas dos fatores propostos. A seguir aplicaram essas condições no

processo de fermentação e obtiveram o máximo de produção de CPC, da ordem de

22,3 mg de CPC/g de CPC, reportando assim, uma diferente possibilidade para o

processo produtivo da CPC.

Outra linha de pesquisa que se destaca na busca por aumentar a

produtividade da CPC é a engenharia genética das cepas dos fungos produtores.

Nessa linha o objetivo é descobrir os genes que estão ligados à produção da CPC e

buscar formas de aumentar a expressão dos mesmos. Com o desenvolvimento da

biologia molecular encontram-se na literatura trabalhos que reportam a identificação

dos genes e também de uma variedade de cepas geneticamente modificadas.

Skatrud et al, (1989) citado por Elander (2003) realizaram um trabalho onde o gene

cef EF foi clonado, resultando em aumento da produção da CPC pelo

microoganismo e reduzindo a produção de penicilina N. Em escala laboratorial a

produtividade subiu em 47% e em escala piloto em 15%. Basch e Chiang (1998)

também citados por Elander (2003) trabalharam com cepas de A. chrisogenum

modificadas geneticamente com aumento no número de gene cefEF e mostraram

que os níveis do contaminante Deacetilcefalosporina C caíram quando o caldo

fermentado produzido pelas cepas modificadas em fermentadores de grande porte

foi submetido ao processo de recuperação.

2.2 PROCESSO DE DOWNSTREAM: Operações unitárias envolvidas no

processo de recuperação e purificação de produtos oriundos de bioprocessos.

Geralmente os caldos fermentados de bioprocessos são extremamente

complexos, podendo conter uma variedade de componentes, como substratos não

convertidos em produtos, células mortas, nutrientes diversos do meio de cultivo e o

produto de interesse que pode se encontrar no meio extra ou intracelular. Devido a

essa complexidade, várias operações são necessárias para promover a separação e

purificação do produto de interesse de maneira eficiente. Dentre as operações mais

utilizadas para recuperação de produtos oriundos de bioprocessos podemos citar:

Filtração, centrifugação, separação por membranas, resfriamento, aquecimento,

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secagem, extração por solvente, cromatografia de adsorção, de troca iônica,

precipitação, cristalização, entre outras. Os passos necessários para realizar esse

processo estão intimamente ligados à natureza e propriedades do composto de

interesse a ser recuperado e também de propriedades do caldo fermentado, a

pureza necessária do produto por sua vez está ligada à sua finalidade de aplicação.

(NAJAFPOUR, 2007).

Kilikian e Pessoa Jr. (2005) dividem em quatro grandes passos o processo

de downstream: clarificação do caldo ou separação de insolúveis, nesta etapa os

sólidos presentes são removidos do meio, assim como células e fragmentos

celulares. Esta etapa é realizada através de operações como centrifugação e

filtração. A segunda etapa é a purificação de baixa resolução ou isolamento do

produto, normalmente realizada através de adsorção, precipitação ou extração por

solvente. Nesta etapa o produto é separado de outros componentes que apresentam

características físico-químicas diferentes das suas. Na terceira etapa é realizada a

purificação de alta resolução onde serão separados do produto principal os

componentes que exibem propriedades físico-químicas similares a dele. Essa etapa

é por operações de seletividade alta como a precipitação fracionada e a

cromatografia. Por fim, quando possível e/ou necessário, realiza-se a quarta etapa,

que é a obtenção do produto na forma de cristal. Para esse objetivo usam-se

principalmente as operações de cristalização e secagem. Caso o produto de

interesse seja um metabólito intracelular, os autores destacam que o passo de

rompimento celular deve ser acrescentado no processo. As principais operações

usadas em cada etapa do processo de downstream podem ser observadas na

tabela 2.

A realização do processo de downstream pode representar 50% do custo

total do processo produtivo de uma determinada molécula de interesse, por isso, as

operações envolvidas devem ser planejadas de forma a otimizar a aplicação, para

que se possível usar a mesma operação para a realização de mais de uma etapa do

processo. O número de operações também depende da finalidade do produto.

Produtos de aplicação farmacêutica, por exemplo, requerem alto grau de pureza

devido a sua aplicação, e isso é um fator que torna o processo de downstream mais

oneroso ainda. Por outro lado, a obtenção desses produtos com elevado grau de

pureza torna alto o valor agregado do mesmo. Esse fato faz com que o mercado

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pague um grande valor pelo produto, tornando compensáveis os custos gerados

pelo processo de downstream (KEIM e LADISCH, 2000).

Tabela 2- Principais operações unitárias envolvidas nas etapas de Downstream

Etapa Operações envolvidas

Clarificação Filtração, centrifugação

Rompimento celular Ultrassom, moagem com moinho de bolas, rompimento químico ou enzimático

Purificação de baixa resolução

Precipitação, ultrafiltração, extração por solventes

Purificação de alta resolução Métodos cromatográficos, membranas adsortivas

Refinamento Cristalização, lioflização

Fonte: Adaptado de KILIKIAN e PESSOA Jr., 2005.

Elander (2003) descreve em sua revisão sobre produção de antibióticos β-

lactâmicos as principais rotas adotadas pela indústria para realização do processo

de downstream destes compostos. No geral, pencilinas, cefalosporinas, cefamicinas

e carbapenens seguem um roteiro parecido de operações para purificação do

produto. Primeiramente passando por operações de separação de sólidos e

clarificação do caldo, seguidos por processos de purificação baseados em

processos adsortivos, de troca-iônica e também de extração por solventes. Por fim,

passam por etapas de cristalização.

Detalhadamente, o processo de purificação industrial da CPC descrito por

Elander (2003) é realizado através dos seguintes passos: O caldo fermentado é

resfriado rapidamente até uma temperatura entre 3 a 5°C, depois disso é submetido

ou a filtração ou centrifugação para promover a remoção dos sólidos presentes,

principalmente os micélios do fungo produtor. O processo segue para etapa de

purificação, nesta etapa o caldo contém além da CPC, os compostos DAC, DAOC,

Isopenicilina N além dos precursores biossintéticos. Para realização desta etapa,

são usadas duas estratégias diferentes, algumas companhias usam a adsorção em

carbono ativado ou outro adsorvente, seguido de cromatografia de troca-iônica, o

que resulta em CPC de alta pureza, que é convertida posteriormente em Ácido 7-

aminocefalosporânico (7-ACA). A segunda estratégia consiste em gerar derivados

substituídos, onde o grupo amino da cadeia lateral α-aminoadipil é substituída no C-

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7, gerando dois derivados: o N-2,4-Diclorobenzoil cefalosporina C e o

tetrabromocarboxybenzoil cefalosporina C. Esses derivados podem ser cristalizados

a partir de soluções ácidas. Esses derivados substituídos também podem formar

sais a partir da reação com bases como diciclohexilamina ou a dimetilbenzilamina.

Esses sais podem ser extraídos por solventes, porém o processo de extração deve

ser repetido várias vezes até a obtenção do produto com elevada pureza.

Dentre as estratégias de purificação para produtos de biotecnologia, o

processo de adsorção se destaca por propiciar a pureza necessária, com bons

fatores de concentração, além de ser um processo não destrutivo e energeticamente

eficiente.

2.3 PROCESSO DE ADSORÇÃO

O processo de adsorção consiste em uma operação unitária onde uma

corrente de um fluído, seja gás ou líquido, interage com uma fase estacionária

sólida, e esta fase sólida é capaz de interagir de diferentes formas com os

componentes desta corrente fluida. Normalmente, a fase estacionária é composta

por pequenas partículas do sólido alocadas em um leito fixo, que pode ser uma

coluna ou um reator. O fluído é então passado através deste leito onde ocorre o

processo de adsorção, quando o leito é totalmente saturado com as moléculas do

fluído, o fluxo do mesmo é interrompido e então o leito pode ser regenerado através

de temperatura ou através de outro método de dessorção. Nesta operação o

material adsorvido é chamado de adsorbato e é este que é recuperado após o

processo de dessorção (GEANKOPLIS, 2003). A troca iônica é considerada como

um processo de adsorção por alguns autores e é possível encontrar termos como

adsorção de íons na literatura (BARBOZA, ALMEIDA E HOKKA, 2003).

Os processos de adsorção são usados para a purificação desde a

antiguidade, onde, por exemplo, os povos usavam carvão e areia para purificação de

água e obtenção de água potável. Apesar do uso desta técnica no dia-a-dia, uma

abordagem teórica a cerca do processo não era desenvolvida e o mesmo era usado

apenas com base em observações e tentativas. O primeiro registro teórico

desenvolvido data de 1773 e após este desenvolvimento o processo se difundiu

rapidamente e é usado em diversos ramos, como indústrias farmacêuticas,

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alimentícia, de saneamento e petrolífera (KAMMERER, KAMMERER e KARLER

2011).

2.3.1. Mecanismos de separação

Como mencionado anteriormente, o processo de adsorção se baseia na

interação entre as moléculas do fluído e o adsorvente. Existem diversas maneiras de

ocorrerem essas interações, sendo que as mesmas estão diretamente ligadas ao

mecanismo de separação envolvido no processo, esses podem ser do tipo: Físico,

químico ou mecânico (COLLINS, 2006).

Os processos físicos conhecidos como de sorção – adsorção e absorção -

se baseiam em atrações dipolares como, forças de Van der Waals, atrações

Coulômbicas e também por formação de ligações de Hidrogênio. Quando a fase

estacionária é um sólido a adsorção ocorre na interface entre o sólido e o fluído

onde se encontram os sítios ativos do sólido. Quando a fase estacionária trata-se de

um líquido espalhado sobre a superfície do sólido inerte, o processo de separação é

realizado por absorção ou partição e é baseado na solubilidade dos compostos

nesta fase estacionária (COLLINS, 2006).

Outro processo é o químico, os grandes representantes desta modalidade

são os processos por troca-iônica e os processos baseados em afinidade biológica.

No processo por troca-iônica, uma matriz ou um suporte contém em sua superfície

grupos que podem ser ionizáveis, dessa forma são obtidos trocadores de íons. Para

o processo ocorrer, uma fase móvel tipo solução iônica é passada através do leito

contendo o trocador. O composto de interesse deve estar ionizado nessa solução,

dessa forma, o mesmo será capaz de competir pelos sítios carregados do trocador e

então ser retido. Caso a matriz seja carregada negativamente ela é classificada

como trocadora de cátions, pois libera os grupos carregados positivamente para a

fase móvel e retém os cátions presentes na mesma. Caso contrário a fase

estacionária sendo carregada positivamente, ela será capaz de reter os ânions da

fase móvel e liberar os ânions previamente ligados a ela para essa fase, e é

classificada como trocadora de ânions. A fase móvel empregada neste processo

deve exibir propriedades compatíveis com o trocador escolhido e normalmente é

tamponada (COLLINS, 2006). A eluição dos íons retidos é realizada através da

passagem de íons competidores que possuam maior afinidade com a matriz e tem

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capacidade de deslocar novamente o íon retido para a fase móvel. Outro processo

químico usado é conhecido por bioafinidade.Nesta modalidade a fase estacionária

contém grupos biológicos ligados ao suporte que são complementares aos

presentes na fase móvel, por exemplo, fase estacionária contendo antígenos ligados

e fase móvel contendo anticorpos. Neste modo, a eluição é realizada através de

alterações na fase móvel, como aumento da acidez que modifica propriedades da

molécula ligada ao suporte ou até mesmo da molécula retida (Collins et al, 2006).

O processo mecânico é encontrado na modalidade de cromatografia por

exclusão. O mecanismo de separação neste método consiste na diferença de

tamanho das moléculas a serem separadas. Uma matriz inerte com partículas de

tamanho, forma e porosidade uniformes serve como fase estacionária, desse modo,

moléculas menores penetram os poros ficam em equilíbrio com a fase móvel intra e

intersticial, as moléculas maiores são excluídas totalmente dos poros equilibrando-

se com a fase móvel intersticial apenas e moléculas de tamanho médio penetram

seletivamente nos poros de acordo com sua compatibilidade de tamanho. A saída da

coluna é dada então em função do tamanho da molécula. Os mecanismos descritos

podem ser observados na figura 4.

Figura 4 - Mecanismos cromatográficos a) Adsorção, b) Partição, c) Troca iônica, d)

Bioafinidade e e) Exclusão.

Fonte: Adaptado de COLLINS, 2006.

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2.3.2 Propriedades dos adsorventes

Existem diversos materiais disponíveis no mercado para a realização do

processo de adsorção. Collins (2006) cita que as faixas de tamanho das partículas

dos adsorventes variam de 63 até 200 μm. Já Geankoplis (2003) cita que o tamanho

das partículas pode variar de 0,1 a 12 mm, além disso, esse autor relata que as

partículas podem vir na forma de pequenos pellets ou grânulos. Geralmente, a

partícula do adsorvente é altamente porosa, sendo que essa porosidade pode

chegar até a 50% do volume total da partícula. A área dessas partículas também é

outro fator de extrema importância já que o processo de adsorção ocorre na

interface entre a partícula e o fluído, as áreas dos adsorventes podem variar de 100

a 2000 m2/g de adsorvente. Os materiais mais usados para obtenção dos

adsorventes são listados na tabela 3.

Tabela 3 - Principais materiais usados como adsorventes em processos de adsorção.

Material Características

Carbono ativado (carvão

ativado)

Material microcristalino, obtido por decomposição térmica da madeira, usado principalmente na adsorção de orgânicos.

Silica Gel Obtido por tratamento ácido do silicato de sódio, usado em desidratação de gases e fracionamento de hidrocarbonetos.

Alumina ativada Obtenção através de tratamento térmico do óxido de alumínio hidratado, usado em secagem de gases e líquidos.

Zeólitas Aluminosilicatos com porosidade uniforme que é definida de acordo com a aplicação. Usada para diversos processos.

Polímeros sintéticos e resinas

Sintetizados a partir de polimerização. Para uso em substâncias apolares, polímero de estireno e Divinilbenzeno, para moléculas polares, principalmente feitos de ésteres acrílicos.

Fonte: Adaptado de GEANKOPLIS, 2003.

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2.3.3 Relações de equilíbrio no processo de adsorção e cinética do

processo

O equilíbrio entre a concentração de soluto no fluído e a concentração de

soluto no sólido tem comportamento parecido com as relações de equilíbrio de

concentração de gases solubilizados em líquidos. Essas relações são representadas

através de parâmetros relacionados com a quantidade de adsorbato em relação

quantidade de adsorvente (q) (massa de adsorbato/ massa de adsorvente) e a

quantidade de adsorbato em relação à quantidade de fluido (c) (massa de

adsorbato/ volume de fluido) (GEANKOPLIS, 2003). Essas relações são obtidas à

temperatura constante e são denominadas isotermas de adsorção. Existem alguns

modelos desenvolvidos de isotermas usados para explicar o comportamento dos

processos de adsorção. A seguir serão descritos brevemente os modelos de

isoterma usados em processos de adsorção.

a) Modelo linear:

É expresso através de uma expressão similar à lei de Henry, onde K é uma

constante determinada experimentalmente. Essa relação não é comumente

encontrada nos processos de adsorção, porém, na região de concentrações diluídas

pode ser usada para a aproximação de muitos sistemas. A equação 1 descreve o

modelo linear (GEANKOPLIS, 2003). Onde q é a concentração do adsorbato na fase

sólida no equilíbrio, c é a concentração do adsorbato na fase líquida. K é a constante

do modelo e dá indicações sobre a afinidade do processo de adsorção, sendo que

maiores valores mostram que o processo de adsorção é favorecido. Essa relação

tem a vantagem de ser simples para o tratamento de dados, já que é expressa em

função de apenas um parâmetro. Porém, seu uso para o ajuste de isotermas é

indicado apenas em faixas onde a solução está diluída, fato que restringe o uso

desta relação.

(1)

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b) Modelo de Freundlich:

A equação 2 descreve o modelo de isoterma de Freundlich. Esse modelo

aproxima-se bem de diversos processos de adsorção física, principalmente para

líquidos. O parâmetro K e o parâmetro n são determinados experimentalmente e são

características intrínsecas do processo (GEANKOPLIS, 2003). Os parâmetros K e n

dão indicações da energia e da intensidade da adsorção, apesar disso, estes

parâmetros não possuem significado físico exato.

A relação de Freundlich já foi utilizada por Lee, Park e Moon (1997) para a

modelagem do processo de adsorção da CPC nas resinas XAD2, SP207 e SP850.

(2)

c) Modelo de Langmuir:

O modelo desenvolvido por Langmuir tem embasamento teórico e surge

assumindo que somente determinado número de sítios ativos do adsorvente estão

disponíveis para a adsorção, somente uma monocamada é formada sobre a

superfície e a adsorção é um processo reversível e que atinge um estado de

equilíbrio. Onde qo e K são constantes, determinadas empiricamente, e q é definido

como massa de adsorbato por massa de adsorvente (GEANKOPLIS, 2003).

Segundo Weber (1985) a máxima adsorção ocorre quando uma monocamada de

adsorbato recobre a superfície da resina, além disso, neste modelo assume-se que

não existe interação entre as moléculas de adsorbato e que a energia de adsorção é

constante. A equação 3 descreve este modelo.

(3)

Esta relação de Langmuir foi usada por Ramos, Otero e Rodrigues (2004)

para modelar o processo de adsorção da CPC nas resinas XAD4 e XAD16.

Os modelos de Isoterma auxiliam na determinação do tipo de adsorvente,

na quantidade utilizada do mesmo e na interpretação de dados termodinâmicos,

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como entalpias de adsorção. A figura 5 descreve o comportamento gráfico dos

modelos descritos anteriormente.

Figura 5 - Modelos de Isotermas comuns Linear, Freundlich e Langmuir.

Fonte: Adaptado de GEANKOPLIS, 2003.

Estudos sobre a cinética também podem fornecer diversas informações

sobre os fenômenos envolvidos no processo de adsorção. Diversos autores

abordam o processo de adsorção de forma que este seja tratado como uma reação

química, onde o adsorbato “reage” com o adsorvente formando um complexo. Essa

pseudo-reação pode ser vista como reação de primeira ordem, de pseudo-primeira

ordem e de segunda ordem. Desta forma, é possível a modelagem do processo

através de constantes de velocidade e dados obtidos das isotermas. Esses dados

podem indicar se o processo é favorável e, além disso, é possível obter estimativas

de alguns parâmetros termodinâmicos do processo.

Barboza, Hokka e Maugeri (2002) estudaram a adsorção da CPC na resina

neutra XAD2, para a modelagem do processo os autores partiram da suposição que

a adsorção da CPC na resina XAD2 é uma reação onde o antibiótico e a resina dão

origem a um complexo CPC+resina mais energia e a dessorção é a reação inversa

onde o complexo dá origem a resina livre, CPC e energia.

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Neste modelo os autores ainda assumiram que mais de uma molécula de

CPC é adsorvida por sítio ativo da resina. Os autores obtiveram os perfis cinéticos

do processo monitorando a variação de C/Co em função do tempo, partindo de

soluções de diferentes concentrações a temperatura constante de 25°C. Os perfis

obtidos são mostrados na figura 6, a seguir.

Figura 6 - Perfis cinéticos da adsorção da CPC na resina neutra XAD2.

Fonte: Adaptado de BARBOZA, HOKKA e MAUGERI, 2002.

Além dos perfis cinéticos, os autores obtiveram também as isotermas de

adsorção. Por fim, eles concluíram que é possível realizar o processo de adsorção

da CPC na resina XAD2, e que a temperatura e a concentração da solução de CPC

afetam o processo.

Baseado na proposta de mecanismo descrita anteriormente, a resina IRA410

também pode se comportar como um reagente da “reação” de adsorção, onde nos

sítios da resina o íon cloreto é trocado pela CPC carregada negativamente,

originando o “produto” da reação que é o complexo CPC+Resina.

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2.3.4 Modos de operação

Existem dois principais modos de operação de sistemas de adsorção

destinados à purificação de produtos. São os sistemas por reator alimentado e por

colunas de leito fixo. A seguir os modos serão descritos, em especial o modo em

colunas de leito fixo por ser tema de interesse do presente trabalho.

Adsorção em reatores alimentados.

Esse modo de operação é aplicado principalmente quando as quantidades

do produto a ser adsorvido são pequenas. As relações de equilíbrio do sistema

podem ser obtidas através dos modelos de Isotermas descritos anteriormente e o

balanço de massas do sistema é obtido através da equação 4 (GEANKOPLIS,

2003). Onde a concentração da alimentação inicial é dada por cf e no equilíbrio por

c, a concentração inicial do soluto adsorvido no sólido é qf e no equilíbrio q, M é a

quantidade de adsorvente em kg e S o volume de alimentação em m3.

(4)

No ponto onde a isoterma de adsorção e o gráfico de q contra c do balanço

se encontram são encontrados os valores de q e c no equilíbrio (GEANKOPLIS,

2003).

Para a realização da operação, um reator é alimentado em forma de

batelada ou em forma continua com a solução contendo a substância a ser

adsorvida e também com o material adsorvente. Em seguida promove-se agitação

no interior do sistema e, com o passar do tempo ocorre adsorção do componente de

interesse no adsorvente. Após o período necessário a solução de alimentação é

retirada do reator e o adsorvente contendo o adsorbato é então submetido a uma

etapa de lavagem, posteriormente alimenta-se o sistema com a solução que

promoverá a eluição do componente adsorvido e então será gerada uma solução

concentrada do componente de interesse. O adsorvente passa por um ciclo de

regeneração caso seja necessário e a operação pode ser repetida (ALMEIDA,

BARBOZA e HOKKA, 2003).

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Colunas de leito fixo

O processo de adsorção realizado em colunas de leito fixo é mais complexo

do que o realizado através de reatores. O fluído a ser tratado percorre a coluna com

um fluxo constante, o processo depende da resistência à transferência de massa e

também de outros fatores dinâmicos do sistema. O perfil de concentração do soluto

na solução de alimentação varia conforme o tempo e a posição dentro da coluna,

decaindo rapidamente conforme a solução avança pela coluna, sendo que esse

passo se repete várias vezes até o fim da coluna. Esse perfil de concentração do

adsorbato no interior da coluna é mostrado na figura 7a, e é obtido através do

gráfico de C/C0 contra H, onde C é a concentração do adsorbato em determinado

ponto da coluna, C0 a concentração inicial do adsorbato no fluido e H o comprimento

da coluna.

Conforme ocorre a passagem do tempo, as partículas do adsorvente

próximas à entrada da coluna são saturadas pelo asdorbato e a adsorção começa

então a ocorrer em um ponto imediatamente posterior ao ponto saturado. A

diferença de concentração durante o caminho é a força motriz do processo.

Enquanto o processo de transferência de massa ocorre no interior da coluna,

na saída dela a concentração do soluto é aproximadamente igual à zero, e continua

com este valor até que a zona de transferência de massa atinja o fim da coluna em

um determinado tempo. Quando chega este momento, a concentração do soluto na

saída da coluna aumenta até atingir um ponto conhecido como ponto de ruptura.

Depois do mesmo a concentração aumenta rapidamente até atingir um ponto onde o

leito da coluna não é mais efetivo para promover a adsorção. O ponto de ruptura é

definido como sendo o ponto onde C/C0 é igual aos valores de 0,01 a 0,05. O ponto

em que o leito não é mais efetivo é igual a Cd sendo que este é aproximadamente

igual a C0. Esse comportamento é visualizado através das curvas de ruptura geradas

por gráficos de C/C0 em função do tempo decorrido. Na figura 7b é possível observar

uma curva de ruptura representativa.

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Figura 7 - Perfis de concentração do adsorbato. a) Em várias posições no interior da coluna,

b) Curva de ruptura ao fim da coluna.

Fonte: Adaptado de GEANKOPLIS, 2003.

As curvas de ruptura são ferramentas extremamente importantes, pois a

partir delas é possível calcular uma série de parâmetros que ajudam a realizar o

aumento de escala da coluna, bem como obter a eficiência do leito em diversas

condições, promovendo redução de custos. Os cálculos a cerca das curvas de

ruptura serão apresentados posteriormente na seção de materiais e métodos.

Em escala industrial o processo é operado de duas formas principais: A

primeira e mais usada, o modo em batelada e também o modo em fluxo contínuo,

onde várias colunas se revezam nos ciclos. No modo batelada alimentação é

injetada na coluna até que ocorra a saturação do leito, após isso a alimentação é

interrompida e a coluna é lavada com água ou outra solução para remoção de

materiais não adsorvidos dos espaços restantes. Com a coluna lavada, inicia-se

então o passo de dessorção dos materiais, que pode ser realizado através de

soluções eluentes adequadas ou também através de variação de condições como,

variações de pH ou de temperatura, nesta etapa a variação da condições de forma

adequada é que possibilita a separação dos compostos, por promover a dessorção

diferenciada dos mesmos levando a separação. Após a dessorção é realizado

novamente um processo de lavagem e posteriormente a coluna é submetida ao

processo de recondicionamento para restaurar os sítios ativos do material

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adsorvente e preparar a coluna para um novo ciclo de uso. No modo de fluxo

contínuo várias colunas se revezam nos passos descritos para o processo em

batelada, sendo que enquanto uma está sendo alimentada, a outra está passando

pelo processo de lavagem e a próxima pelo processo de adsorção e assim por

diante, sem que haja interrupção dos fluxos durante o processo (GEANKOPLIS,

2003).

Em escala laboratorial, a coluna cromatográfica é geralmente feita de vidro,

na forma de tubo e colocada na posição vertical, para que o fluxo siga por força da

gravidade, sua extremidade superior é aberta e a inferior termina em uma torneira

que permite a regulagem da vazão. O recheio deve ser colocado uniformemente na

coluna de forma a evitar a presença de bolhas de ar no seu interior, pois esses

espaços podem gerar alargamentos nas bandas cromatográficas. Para isso

normalmente o recheio é agitado em um frasco contento a fase móvel até que se

obtenha uma pasta que é adicionada na coluna já com um terço do seu volume

preenchido pela fase móvel, esse recheio é suportado por um pedaço de algodão no

início da coluna. A figura 8 mostra um exemplo de coluna cromatográfica. Após a

montagem da coluna a amostra é injetada no topo da coluna, e a fase móvel é

adicionada cuidadosamente de forma que se obtenha uma camada acima do

recheio. Os compostos vão eluindo pela coluna, sendo que aqueles que têm maior

afinidade pelo adsorvente demoram mais para percorrer o caminho do que os de

menor afinidade.

Figura 8 - Esquema de montagem de uma coluna cromatográfica.

Fonte: Adaptado do site www.qnint.sbq.org.br, visitado em 06/03/2014.

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A solução eluente também influência na retenção dos compostos, variações

nas suas características podem acarretar em melhores separações e diminuição do

tempo de corrida. Essas alterações podem ser obtidas por aumento de polaridade

da fase, por exemplo, colunas operando em fase normal, onde a fase estacionaria é

mais polar que a fase móvel, os compostos serão eluídos mais rapidamente com

aumento na polaridade da fase móvel. E na situação contrária, coluna operando em

fase reversa, onde a fase estacionária é menos polar que a fase móvel, a diminuição

da polaridade da fase móvel gerará a diminuição da retenção dos compostos. Os

modos em que a eluição é realizada durante o processo cromatográfico são o

isocrático, onde a constituição da fase móvel é a mesma durante todo o processo ou

o modo gradiente, onde a composição da fase móvel é alterada durante o processo.

O modo gradiente pode ser realizado de duas formas, continuamente durante a

corrida ou em etapas graduais.

Ao fim da eluição as frações podem ser coletadas manualmente ou por

coletor automatizado. A quantificação é realizada através de alguma técnica

conveniente a natureza do composto de interesse. Para se reutilizar o leito da

coluna em uma nova corrida, assim como no processo industrial, a mesma deve ser

submetida ao processo de lavagem e recondicionamento. (COLLINS, 2006).

2.3.5 Adsorção por troca iônica

Os primeiros registros a cerca do uso de materiais trocadores de íons

aplicados a processos de separação e purificação remonta ao ano de 1850. Onde os

químicos daquela época descobriram a capacidade do solo em remover íons amônio

e potássio de soluções que o atravessam. Daí em diante, a técnica despertou

enorme interesse e foi desenvolvida, atualmente existem diversos materiais

trocadores de íons disponíveis e também uma série de aplicações da troca iônica na

resolução de problemas de separação e purificação (COLLINS, 2006).

Alguns autores consideram a troca iônica como sendo um caso específico

de adsorção. Geankoplis (2003) descreve o processo de adsorção por troca iônica

como sendo um processo de adsorção química onde ocorrem reações entre íons

presentes na solução e íons da fase sólida insolúvel. Sendo que os íons presentes

na solução que reagem com a matriz são repostos pelos íons que estavam ligados à

mesma anteriormente, mantendo assim a eletroneutralidade.

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Collins e Braga (2006) citam que o mecanismo de troca iônica é governado

basicamente por interações eletrostáticas e, dessa forma, o controle do processo

pode ser realizado através da manipulação de fatores como força iônica da fase

móvel e também através do pH.

Na figura 9 observa-se uma matriz trocadora de cátions onde o processo

começa com a matriz em equilíbrio com seu contra íon X+. Então uma amostra

contendo íons B+ e C++ é aplicada na coluna, esses íons deslocam o íon X+ e são

adsorvidos na matriz. Após a adsorção um eluente Z+ que tem maior afinidade com

a matriz do que B+ desloca essa espécie que é então eluída, o processo se repete

agora com o íon C++ sendo deslocado por uma segunda espécie C++ com maior

afinidade pela matriz ou por uma solução do íon Z+ de maior força iônica capaz de

gerar o deslocamento. Dessa maneira, ocorre a separação dos componentes B e C

da amostra inicial. Para que o leito possa ser reutilizado a matriz deve ser

regenerada com o íon X+, para que isso ocorra, uma solução contendo os íons X+

deve ser passada em um volume de 5 a 10 vezes maior que o volume da coluna,

dessa forma os íons X+ que são fracamente adsorvidos na matriz irão superar a

maior afinidade dos outros íons devido à sua maior concentração. (COLLINS, 2006)

Figura 9 - Mecanismo de troca iônica, B e C são íons a ser separados, Z, W e X são

eluentes usados.

Fonte: Adaptado de COLLINS, 2006.

As matrizes usadas em cromatografia de troca iônica são porosas, inertes,

insolúveis e formam ligações covalentes com os grupos trocadores de íons. Elas são

classificadas quanto à natureza podendo ser orgânicas ou inorgânicas e de origem

natural ou sintética. Devido à alta eficiência, as matrizes orgânicas sintéticas são as

mais usadas. Essas matrizes são obtidas através de reações que geram polímeros

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com alto grau de ligações cruzadas. As resinas ácidas, trocadoras de cátions, são

obtidas através de reação entre o Poliestireno e o Divinilbenzeno, seguida de

sulfonação do anel benzênico. As resinas básicas, trocadoras de ânions seguem o

mesmo mecanismo, porém, após a polimerização a matriz é submetida a uma

clorometilação e uma reação com uma amina terciária (COLLINS, 2006).

Alguns fatores influenciam a cromatografia por troca iônica, o trocador deve

ser escolhido conforme a aplicação, para aplicações preparativas e analíticas

existem diferentes tipos de resinas que variam de porosidade. A fase móvel

escolhida pode ser ácida, básica ou um tampão, adicionado ou não de algum

solvente orgânico ou sal neutro, visando aumentar a seletividade para um

determinado composto ou alterar a afinidade do trocador. A eluição em

cromatografia por troca iônica pode ser realizada com a própria fase móvel, modo

denominado isocrático, ou ainda modificando a força iônica ou pH durante a corrida

cromatográfica, modo conhecido como eluição por gradiente (COLLINS, 2006).

2.3.6 Purificação da CPC através de processos de adsorção

Na literatura é possível encontrar diversos trabalhos relacionados à

purificação da CPC, em sua maioria esses trabalhos abordam o processo de

adsorção da CPC em resinas neutras com as resinas XAD2, 4, 16, resinas do tipo

estireno divinilbenzeno. Os resultados desses estudos mostram que essa técnica é

possível de ser aplicada na purificação do caldo de cultivo contendo a CPC.

Hicktier e Buchholz (1990) estudaram o perfil de adsorção da CPC em um

reator de tanque agitado usando como adsorventes as resinas neutras XAD 4, XAD

1180 e a resina de troca iônica IRA 68. As isotermas foram obtidas através

experimentos onde a CPC foi em dissolvida soluções de pH 2,5 a 3,0 em tampão

glicina/HCl para as resinas neutras e pH 3,6 em tampão ácido acético para a resina

de troca iônica. Os dados foram analisados on line via espectrofotometria em

UV/Visível a comprimento de onda de 258 nm. O processo de adsorção da resina foi

modelado usando considerações a cerca da cinética do processo. Seus resultados

mostraram que o processo de adsorção da CPC nas resinas neutras pôde ser bem

descrito por isotermas do tipo BET e o processo em resina de troca iônica é mais

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bem ajustado à isoterma do tipo Langmuir. O autor ainda ressalta a maior

contribuição dos fatores cinéticos para a modelagem do processo.

Lee, Jung e Moon (1997a) usou as resinas neutras SP280, SP850 e XAD 2

para determinar os parâmetros de equilíbrio e cinéticos no processo de adsorção da

CPC. Para determinar as isotermas de adsorção, os autores realizaram

experimentos em reatores de tanque agitado e também em colunas de leito fixo. Os

autores conseguiram prever o processo de adsorção usando o modelo de Freundlich

e o processo de dessorção foi explicado através de um modelo competitivo entre o

antibiótico e o álcool isopropílico usado para realizar a eluição. Os modelos foram

aplicados com sucesso quando o processo foi realizado em colunas de leito fixo,

mostrado pela correlação entre o modelo e as curvas de ruptura obtidas em várias

condições de operação.

Lee, Park e Moon, (1997b) reportam em outro trabalho os efeitos de diversas

condições de operação sobre o processo de adsorção da CPC em resina SP850. Os

parâmetros verificados foram pH, fluxo, temperatura e concentração. Os autores

mostram que a adsorção é favorecida pelo aumento do pH e da temperatura. Eles

ainda simularam o processo através de modelos de isotermas e constataram que o

modelo de Freundlich é o que melhor prevê o mesmo, porém, quando as soluções

estão a baixos valores de pH o modelo apresenta desvios consideráveis dos

resultados obtidos experimentalmente. Esse fato é atribuído a possíveis espécies

iônicas diferentes existentes no meio quando o pH é mantido a baixos valores.

Ramos, Otero e Rodrigues (2004) estudaram o processo de recuperação da

CPC usando resina XAD 16. Primeiramente, os autores obtiveram a isoterma de

equilíbrio do sistema através de experimentos usando reatores de tanque agitado, a

partir daí modelaram as curvas de ruptura para o processo em coluna. Os resultados

do processo realizado em coluna foram compatíveis com os resultados previstos

pelo modelo desenvolvido. Os autores obtiveram as isotermas de adsorção pelos

modelos de Freundlich para concentrações abaixo de 1 g.L-1 e pelo modelo de

Langmuir para concentrações acima deste valor. A eluição foi realizada com solução

de metanol, e o mecanismo atribuído ao processo de dessorção foi a capacidade do

metanol deslocar a CPC dos sítios ativos da resina.

Barboza, Hokka e Maugeri, (2002) estudaram o processo de adsorção e

dessorção da CPC em resina XAD 2. Os autores mostram que o processo de

adsorção pode ser representado pelos modelos de Langmuir, Freundlich e até

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mesmo pelo modelo linear. Eles reportam também que a presença de metanol na

solução de alimentação afeta negativamente a capacidade da resina de adsorver o

antibiótico, além disso, o modelo cinético obtido foi compatível com os dados

experimentais obtidos. Os autores ainda mostraram um processo de purificação

contínuo da CPC usando dois reatores de tanques agitados interligados, onde no

primeiro acontece o ciclo de adsorção e no segundo a dessorção com solução de

metanol. Por fim, os autores concluíram que o processo de purificação da CPC em

resinas XAD 2 é viável e que fatores como concentração de CPC e temperatura

influenciam diretamente no processo de adsorção.

Além da adsorção da CPC em resinas neutras, pode-se realizar o processo

através de cromatografia por troca iônica. Na literatura encontram-se citações sobre

o uso do processo (SACCO e DELACHERIER, 1981; BAUTISTA et al, 2006), porém,

as condições nas quais ele é realizado e as informações como um todo estão em

sua maioria sobre a forma de patentes (Mc CORNICK e MACK, 1969; VOSER,

1973), esse fato limita acesso ao conhecimento a cerca do tema, além de restringir o

acesso ao uso do processo. Isso faz gerar a necessidade de se estudar o processo

de adsorção da CPC em resina de troca iônica.

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3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 PREPARO DAS COLUNAS E ENSAIOS CROMATOGRÁFICAS

Para o empacotamento da coluna adicionou-se uma quantidade da resina

Amberlite IRA 410 em um béquer, no qual também se adicionou uma quantidade de

água deionizada. Em seguida, transferiu-se essa solução para uma bureta de 25 mL

com o auxílio de um funil. Durante a transferência usou-se um bastão de vidro para

compactação da resina dentro da coluna, de forma que a resina se assentasse

homogeneamente, evitando a formação de vazios ou bolhas no interior da coluna.

Após esse processo obteve-se uma coluna com leito de 16,5 cm comprimento. A

Figura 10 mostra as colunas empacotadas obtidas.

Figura 10 - Colunas usadas no procedimento experimental inicial.

Fonte: O AUTOR, 2013.

Para realizar o condicionamento da resina passou-se pela coluna cerca de

200 mL de água deionizada a fim de realizar a limpeza da mesma, seguido de 200

mL de solução 4,0% m/V de NaCl para garantir a renovação dos sítios ativos da

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resina no ciclo do Cloreto e novamente mais 400 mL de água deionizada para

remover o excesso de solução salina no leito.

As características da resina Amberlite IRA 410 podem ser consultadas na

sessão anexo do presente texto.

Para a preparação das soluções de CPC utilizadas como alimentação, usou-

se solução tampão ácido succínico/KOH, (pH 3,6 e força iônica 0,01 M) como

diluente. A preparação deste tampão seguiu a metodologia proposta por Perrin

(1963), para preparações de tampões para uso em determinações

espectrofotométricas. Os valores de pH e força iônica deste tampão foram definidos

baseando-se na metodologia experimental proposta por Hicktier e Bucholz (1990)

em seu estudo usando a resina de troca aniônica IRA 68 para adsorção de CPC.

A CPC usada nos ensaios foi o sal de zinco da cefalosporina C, grau prático,

obtida junto a Sigma Aldrich. Usando-se a solução tampão previamente preparada

como diluente, foram preparadas as soluções de CPC dissolvendo-se a massa de

CPC pesada referente à concentração desejada em balão volumétrico. As soluções

resultantes foram estocadas em geladeira à temperatura de 5°C. As concentrações

foram definidas nestes valores devido à escala de leitura do equipamento de

espectrofotometria Ultravioleta/Visível.

Partindo-se então para a realização das corridas cromatográficas para

obtenção dos perfis de eluição da CPC na coluna empacotada com a resina,

primeiramente, foi passada uma alíquota de água deionizada através da coluna para

remoção de algum excesso de sal que ainda poderia estar presente na coluna após

a etapa de pré-tratamento da resina. Terminada essa etapa, injetou-se a solução de

CPC na coluna, o monitoramento foi realizado coletando-se frações de 4 ml em

frascos eppendorfs em intervalos de 5 ou 3 minutos. Ao fim da injeção do volume da

solução de CPC, outra alíquota de água deionizada foi passada na coluna a fim de

retirar a CPC não adsorvida da coluna. Após esse processo prosseguiu-se com a

etapa de eluição, com solução de NaCl 4,0% m/V como eluente. Os detalhes dos

experimentos são mostrados na tabela 4.

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Tabela 4 - Condições adotadas nos experimentos para obtenção dos perfis de eluição da

CPC em coluna recheada com a resina IRA 410 exp. 1,2,3.

Experimento Altura do

leito Alimentação Vazão Eluição

1 16,5 cm 150 mL de CPC 3,7.10-2 g/L 4 mL/min Modo isocrático com solução de NaCl 4,0% m/V.

2 16,5 cm 150 mL de CPC 4,4.10-2 g/L 4 mL/min

3 16,5 cm 150 mL de CPC 5,5.10-2 g/L 4 mL/min

Fonte: O AUTOR, 2013.

Após o término do ensaio cromatográfico, a resina passou novamente pelo

processo de pré-condicionamento para ser reutilizada.

As frações coletadas foram analisadas via espectrofotometria no UV-Visível

em λ= 260 nm. O comprimento de onda foi escolhido com base nas observações de

Abraham e Newton (1961) durante seus estudos a cerca da elucidação estrutural da

CPC. O espectro de absorção da CPC na região do ultravioleta mostrado na Figura

11 evidencia a forte absorção da molécula neste comprimento de onda. A partir dos

valores resultantes registrou-se o gráfico da absorbância em função do tempo de

coleta e obteve-se o cromatograma da CPC.

Figura 11 - Espectro de absorbância na região do Ultravioleta da CPC.

Fonte: Adapatado de PIZZANO e VELOZZI, (1974).

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Além dos cromatogramas mostrando o perfil de eluição da CPC, foram

realizados também experimentos para gerar as curvas de ruptura da CPC na resina.

Esses experimentos foram realizados usando-se iguais volumes de solução de CPC

de mesma concentração enquanto variava-se a vazão do processo em 3 diferentes

valores. Os procedimentos de condicionamento da coluna, injeção da amostra,

eluição, coleta das frações e análise dos coletados no UV/Vis foram realizados da

mesma forma descrita anteriormente nos experimentos para obtenção do perfil de

eluição da CPC. Os detalhes experimentais são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5 - Condições experimentais usadas para obtenção das curvas de ruptura da CPC

em coluna empacotada com a resina IRA 410 exp. 4,5,6.

Experimento Altura do

leito Alimentação Vazão Eluição

4 16,5 cm 150 mL de CPC 3,7.10-2 g/L 2,8 mL/min Modo isocrático com solução de NaCl 4,0% m/V.

5 16,5 cm 150 mL de CPC 3,7.10-2 g/L 4,0 mL/min

6 16,5 cm 150 mL de CPC 3,7.10-2 g/L 5,3 mL/min

Fonte: O AUTOR, 2013.

Para realizar o experimento de melhoramento do perfil de eluição da CPC, e

os experimentos de avaliação da influência do controle de temperatura e de vazão

sobre as curvas de ruptura, o arranjo mostrado na Figura 12 foi utilizado. Foi usada

uma coluna encamisada acoplada a um banho termostatizado e a uma bomba

peristáltica.

Figura 12- Arranjo experimental com controle de temperatura e vazão.

Fonte: O AUTOR, 2014.

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Para o experimento de melhoramento de eluição da CPC foi escolhida a

concentração de 4,0.10-2 g.L-1. Já que o perfil obtido nesta concentração se mostrou

o melhor nos ensaios anteriores. Em um leito de 10,0 cm de altura com temperatura

de 25°C e vazão do sistema de 4,0 mL.min-1. A resina foi pré-condicionada seguindo

o processo descrito anteriormente. As condições usadas são apresentadas na

Tabela 6.

Tabela 6 - Parâmetros experimentais para melhoramento da eluição da CPC.

Parâmetros Valor

Solução de CPC 200 mL, Co=4,0.10-2 g.L-1

Temperatura 25°C

Vazão 4,0 mL.min-1

Altura do leito 10,0 cm

Solução de lavagem 200 mL Água destilada

Solução de eluição 200 mL de NaCl 4% m/V

Fonte: O AUTOR, 2014.

As condições usadas nos experimentos de ruptura com controle de

temperatura e vazão podem ser observadas na Tabela 7. Nessa série de

experimentos novamente foram avaliados os valores de vazão usados

anteriormente, 3,0, 4,0 e 5,0 mL.min-1, mantendo a temperatura constante a 25°C. O

valor de concentração de CPC foi escolhido com base nos resultados do

experimento de melhoramento do perfil de eluição.

Tabela 7 – Condições usadas para a obtenção das curvas de ruptura com controle de vazão

e temperatura.

Experimento Altura do leito Alimentação Vazão Eluição

7 10 cm 200 mL de CPC 4,0.10-2 g/L 3,0 mL/min Modo isocrático com solução de NaCl 4,0% m/V.

8 10 cm 200 mL de CPC 4,0.10-2 g/L 4,0 mL/min

9 10 cm 200 mL de CPC 4,0.10-2 g/L 5,0 mL/min

Fonte: O AUTOR, 2014.

3.2 CÁLCULOS DOS PARÂMETROS DO PROCESSO EM COLUNA

Os cálculos utilizados para obtenção dos parâmetros da coluna foram feitos

seguindo as metodologias propostas por Geankoplis (2003) e Cren et al (2009).

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A capacidade total do leito é obtida através da equação 5, em que tt é o

tempo referente à capacidade total ou estequiométrica do leito e te é o primeiro

instante em que C/C0 é igual a 1.

(5)

A capacidade usada do leito é obtida no ponto de ruptura quando C/C0= 0,05

a 0,1, neste trabalho o valor do ponto de ruptura será adotado quando C/C0=0,1. E

pode ser calculada a partir da equação 6. Sendo tu é o tempo correspondente ao

ponto de ruptura. Idealmente tu é muito próximo de tb que é o tempo onde surge o

ponto de ruptura.

(6)

A fração utilizada do leito durante o processo é dada pela razão tu/tt. A altura

total do leito é dada por Ht. Então a altura do leito utilizada Hu, pode ser obtida

através da equação 7.

(7)

A altura não utilizada Hun, é dada por:

(8)

A partir dos valores obtidos da curva de ruptura, podem-se calcular os

fatores εf, εr e P, que são respectivamente, eficiência de uso do leito, eficiência de

recuperação do produto e produtividade da coluna. Segundo a metodologia proposta

por Cren et al (2009), esses parâmetros estão relacionados com a eficiência do

processo de recuperação como um todo, para a realização destes cálculos a área da

curva de ruptura é divida em três regiões, sendo que a região A1 é referente a

capacidade do leito utilizada até o ponto de ruptura, e é definida do ponto de entrada

da coluna até o ponto de ruptura. A região A2 é referente à quantidade de soluto que

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deixa a coluna sem ser adsorvido até o ponto de ruptura, e por último, A3 está

relacionada à capacidade do leito usada após o ponto de ruptura e é definida do

ponto de ruptura até o ponto onde C/C0 ~ 1. A eficiência εr está relacionada à

remoção de soluto, e εf a eficiência de utilização da resina. A figura 13 mostra a

representação gráfica das áreas mencionadas na metodologia anterior.

Figura 13 - Representação da curva de ruptura com a divisão em áreas segundo metodologia proposta por Cren.

Fonte: Adaptado de CREN et al, 2009.

As equações 9 a 11 mostram a obtenção das eficiências relacionadas ao

processo de coluna.

ε

(9)

ε

(10)

(11)

Onde Q é a vazão volumétrica do soluto durante a corrida cromatográfica e

C0 é a concentração inicial do soluto.

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3.3. CINÉTICA E ISOTERMA DE ADSORÇÃO

Para a obtenção da curva de cinética de adsorção da CPC na resina IRA

410, usou-se uma metodologia baseada no estudo de Barboza e Hokka (2003), em

que usou-se uma quantidade de 8,026 g de resina pré-condicionada e 100 mL de

uma solução de CPC 4,06.10-2 g.L-1 com pH ajustado em 3,6, o sistema foi vedado e

mantido em agitação constante, a uma temperatura de 30°C. Em intervalos de

tempo de 2 minutos foram coletadas alíquotas da solução para análise quantitativa

através de espectroscopia no Uv/Vís. O experimento foi conduzido até que o sistema

entrasse em equilíbrio e não fosse evidenciada variação no valor da concentração

da CPC. Para análise do resultado foi traçado um gráfico de C/Co em função do

tempo, onde C é a concentração de CPC em um determinado tempo e Co a

concentração inicial de CPC. Depois disso, com o auxílio do programa Origin 8®, os

dados foram ajustados a modelos cinéticos de primeira e segunda ordem a fim de

saber qual modelo representa melhor a cinética de adsorção da CPC na resina IRA

410. Sendo que as equações usadas como base para a modelagem de primeira

ordem (12) e de segunda ordem (13) são mostradas a seguir.

(12)

(13)

Para a obtenção da isoterma de adsorção da CPC na resina IRA 410 foram

pesadas massas constantes de resina da ordem de 0,5 g em béqueres e quatro

soluções de diferentes concentrações de CPC (10,4, 30,2, 44,1 e 58,1mg.L-1) foram

colocadas em contato com a resina. O sistema resultante foi vedado, mantido em

agitação constante e temperatura de 30°C durante uma hora, tempo necessário para

o sistema entrar em equilíbrio. Após este período foram retiradas alíquotas para

análise da concentração de equilíbrio na fase líquida, que foram quantificadas por

espectroscopia no Uv/Vís. Os experimentos de isoterma cada concentração foi

avaliada em triplicata.

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O resultado do experimento de isoterma foi analisado através de um gráfico

de q* (Concentração de equilíbrio na fase sólida) em função de Cf* (concentração de

equilíbrio na fase líquida). O Cf* pode ser obtido diretamente através da leitura em

UV/Vís das frações coletadas ao fim do experimento. Já q* é determinado através da

equação 5, mostrada a seguir, sendo Co é a concentração inicial de CPC na fase

líquida, m é a massa de resina e Vs é o volume de solução de CPC.

(14)

Após a obtenção da curva, a mesma foi ajustada ao modelo linear de

isoterma com o auxílio do programa Origin 8® e para a obtenção do parâmetro k,

importante para descrever o processo de adsorção da CPC na resina, o modelo

linear foi escolhido pelo fato de se ter trabalhado com soluções de CPC diluídas.

3.4. SEPARAÇÃO DA CPC E METIONINA

Com o objetivo de separar a CPC de uma solução contendo metionina como

contaminante o seguinte experimento foi realizado. Para tanto utilizou-se uma

solução de concentração 4,9.10-2 g.L-1 de CPC e de mesma concentração para a

metionina, para simular uma condição extrema em que o contaminante possui

concentração igual a da substância de interesse. O caldo teve o pH ajustado em 3,6

com o auxílio do tampão Ác. Succínico/KOH. A coluna cromatográfica foi recheada

com a resina IRA410 e pré-condicionada como já descrito anteriormente. O

experimento foi realizado a vazão constante de 4,0 mL.min-1 e temperatura de 25°C.

O ensaio cromatográfico foi realizado injetando-se 100 mL de solução

contendo a CPC com a metionina, seguida de 15 minutos de lavagem com água. A

eluição neste experimento foi realizada no modo gradiente degrau com soluções a

0,1, 0,5, 1,0 e 4,0% m/V de cloreto de sódio. Na literatura (SACCO,

DELLACHERIER, 1981) os autores empregam essa metodologia para promover a

separação de aminoácidos da CPC em colunas recheadas com resinas neutras

modificadas.

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A obtenção dos cromatogramas foi realizada de duas formas diferentes.

Para a CPC foi realizada a leitura em UV/Visível em comprimento de onda de 260

nm. Os resultados foram lançados em uma curva de calibração previamente obtida e

a concentração obtida foi graficada em função do tempo. Nesta metodologia

observa-se que a metionina não apresenta absorção significativa neste comprimento

de onda e, portanto, não influencia nos valores de concentração de CPC obtidos.

O aminoácido metionina é considerado um contaminante na separação da

CPC do caldo fermentativo por isso foi feita a quantificação desse aminoácido por

HPLC. As análises foram feitas pelo Grupo de Bioquímica do Departamento de

Engenharia Química da UFSCar. Utilizou-se um cromatógrafo com detector de

arranjo de diodos (Waters 996 – PDA), uma coluna de fase reversa (µ-Bondapak

C18 - 3,9 x 300 mm) e o equipamento foi operado dentro das seguintes condições:

vazão de 2,5 mL.min-1, temperatura de 28C e os picos foram detectados em 220

nm. Cada fração coletada no ensaio em coluna foi injetada no HPLC separadamente

e cada cromatograma obtido foi usado para a obtenção do gráfico correspondente

ao ensaio completo, lançando os resultados individuais das amostras em função do

tempo de coleta.

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4. RESULTADOS

4.1 PERFIS DE ELUIÇÃO DA CPC

O objetivo dos experimentos realizados nesta etapa obter o perfil de eluição

da CPC na coluna de leito fixo recheada com a resina IRA 410. Essa etapa é

necessária para observar as interações entre a CPC e a resina IRA 410. As etapas

realizadas durante esse experimento foram:

A saturação do leito devido à adsorção da CPC;

A etapa de lavagem do leito onde o excesso de CPC não adsorvida é retirado

do leito;

A etapa de eluição do antibiótico, sendo que é durante essa etapa que a CPC

é recuperada e concentrada a partir das frações eluídas onde ela está

presente.

A realização do perfil de eluição também é importante pelo fato da

necessidade de se aperfeiçoar as etapas descritas anteriormente. Alguns pontos

que podem ser ajustados nesta etapa são:

A quantidade de alimentação usada;

O tempo de lavagem necessário para eliminação satisfatória de substâncias

não adsorvidas no interior do leito;

As condições de eluição do componente de interesse, onde podem ser feitos

testes variando as condições do eluente, como seu pH e/ou concentração de

uma corrida para outra, no método de eluição isocrática, ou mesmo variar a

concentração durante uma mesma corrida, no método conhecido como

eluição por gradiente.

Nos experimentos iniciais os perfis de eluição da CPC foram obtidos em três

diferentes valores de concentração, 3,7, 4,4 e 5,5.10-2 g.L-1, respectivamente. A

variação da concentração da CPC foi realizada a fim de verificar se essa variável

exerce alguma influência no perfil de eluição da molécula no leito recheado com a

resina IRA 410. Os cromatogramas obtidos podem ser observados na figura 14. As

medidas de absorbância foram realizadas em λ= 260 nm.

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A eluição realizada com solução de NaCl a 4,0% m/V mostrou-se

satisfatória, indicando que esta solução pode ser usada com eficiência nesta

situação, sem a necessidade do uso da eluição por gradiente que é uma maneira

mais trabalhosa de se realizar esta etapa do processo. A escolha deste eletrólito

como eluente foi feita com base nas observações de Stables e Briggs (1980) e

também no trabalho de Oliveira (2013), neste último a autora utiliza soluções de

cloreto de sódio para eluir a Cefamicina C, molécula estruturalmente parecida com a

CPC, de uma coluna recheada com resina de troca iônica.

É importante ressaltar que nesta etapa experimental a solução de

alimentação era composta somente da CPC e o tampão utilizado, sendo que na

presença de outras substâncias contidas no caldo talvez seja necessária a variação

das condições de eluição, a fim de obter a separação eficiente entre a CPC e as

outras substâncias contidas. A CPC eluiu da mesma forma nas três concentrações

estudadas. A concentração da CPC durante os experimentos foi obtida através de

uma curva de calibração. A partir dela foi possível determinar a concentração da

CPC no ponto máximo de cada pico durante a eluição. Os valores encontrados

foram: 3,5, 4,0 e 4,5.10-2 g.L-1 para as concentrações iniciais de 3,7, 4,4 e 5,5.10-2

g.L-1, respectivamente. Os máximos valores de absorção encontrados geraram

valores de concentração de CPC um pouco abaixo daquela inicialmente injetada.

Isso pode ter ocorrido por não ter sido possível coletar uma fração que

representasse o máximo de absorção devido ao tempo de coleta das frações

previamente definido, ou ainda por parte da CPC ficar fortemente adsorvida à resina

mesmo após a aplicação da solução eluente. Pode ser observado também que com

o aumento da concentração da solução de alimentação os picos eluídos

aumentaram de intensidade como era de se esperar, devido à proporcionalidade

entre esses parâmetros quando a quantidade de solução de alimentação injetada é

a mesma.

Os cromatogramas mostraram também, em todas as concentrações

estudadas, um alargamento da cauda do pico da CPC. Segundo Collins (2006), esse

comportamento pode ocorrer devido à uma alta afinidade entre a CPC e a resina,

fazendo com que o processo de dessorção não ocorra idealmente. A solução

eluente também afeta nessa situação e a modificação de sua força pode melhorar os

picos.

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Outro ponto que pôde ser observado nos cromatogramas é que a etapa de

lavagem após a saturação do leito não foi realizada de forma satisfatória quando a

concentração de CPC na solução de alimentação aumentou, visto que houve

absorção significativa nas frações coletadas nesta etapa para as concentrações de

4,4 e 5,5.10-2.g.L-1 de CPC. Apenas na concentração mais baixa aplicada, a etapa

de lavagem foi realizada de forma eficiente, pois a absorbância atingiu praticamente

zero, mostrando que o material não adsorvido que se encontrava na coluna foi

totalmente retirado. Esses resultados mostram que é necessário aumentar o tempo

de limpeza da coluna após a saturação do leito antes de promover a eluição do

composto.

Na Figura 14 é possível observar o comparativo dos cromatogramas da CPC

nas três diferentes concentrações estudadas.

Figura 14 – Comparativo dos cromatogramas da CPC nas diferentes concentrações

estudadas.

Fonte: O AUTOR, 2013.

Tomando-se por base o máximo de absorbância do pico como referência

para se determinar o tempo de retenção, houve variação máxima de cerca de 20

minutos entre as três concentrações estudadas. A existência desta diferença de

tempo de retenção não pode ser atribuída à variação da concentração já que se

observa que não há relação entre o aumento da concentração e aumento de tempo

ou aumento de concentração e diminuição de tempo. O comportamento se mostra

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aleatório e pode, talvez, ser atribuído às condições operacionais que não puderam

ser controladas, como a temperatura, (Que influencia diretamente no processo de

adsorção/dessorção do composto) e a vazão do sistema. A falta de controle dessas

variáveis ocorreu, pois, nesta etapa o arranjo experimental usado foi bastante

simples, composto apenas por uma bureta usada como leito, sendo a vazão

ajustada na torneira da mesma e a temperatura seguindo a temperatura do

ambiente, já que a bureta não possuía sistema de controle de temperatura.

Com base nos resultados obtidos partiu-se para realização de modificações

no processo a fim de se obter um melhor perfil de eluição da CPC. Nesta etapa, o

arranjo experimental usado foi mais complexo, a coluna usada era encamisada e

acoplada a um banho termostatizado com controlador eletrônico de temperatura e a

vazão do sistema foi controlada com uma bomba peristáltica. As medidas de

absorbância foram realizadas em espectrofotômetro UV/Visível em λ= 260 nm.

Os pontos de interesse dessa etapa foram:

Obter uma lavagem efetiva do leito após a etapa de alimentação e adsorção

do antibiótico;

Um estreitamento do pico de eluido da CPC e também fazer com que a cauda

do pico não fosse alargada.

A fim de atingir os objetivos descritos anteriormente, as ações tomadas

foram:

Aumento da quantidade e consequentemente do tempo de passagem de

água na etapa de lavagem do leito;

Controle da vazão do sistema com a bomba peristáltica.

Uso do controle de temperatura para tentar evitar o alargamento do pico.

E diminuição do tamanho do leito para tentar o estreitamento do pico.

O resultado dessas ações pode ser observado na Figura 15. O perfil de

eluição da CPC obtido mostra a região de adsorção atingindo a concentração de

alimentação inicial de 4,0.10-2 g.L-1, seguido de uma etapa de lavagem realizada de

forma eficiente devido ao aumento da quantidade de água injetada após a

alimentação. O aumento do tempo de lavagem fez com que a concentração de CPC

atingisse zero, mostrando que todo o material não adsorvido foi eliminado do interior

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do leito. A eliminação de todo material não adsorvido é necessária, pois, o mesmo

pode influenciar na etapa posterior de eluição, podendo causar desvios nos

resultados de concentração do pico de interesse. A eluição realizada novamente

com a solução de cloreto de sódio a 4,0% m/V, mostrou-se satisfatória, sendo que,

assim que aplicada já fez com que a CPC fosse dessorvida do leito.

A diminuição do tamanho do leito fez com que o pico se tornasse mais

estreito, já que inicialmente a CPC era coletada em um intervalo inicial de cerca de

mais de 30 minutos e depois dessa ação o pico foi coletado em um intervalo de

frações de 20 minutos.

O máximo do pico de CPC eluído teve concentração um pouco abaixo da

concentração inicialmente injetada, mostrando que os intervalos de coleta podem ter

influenciado novamente, deixando o ponto máximo passar sem ter sido coletado em

nenhuma fração, fazendo ocorrer este resultado. Porém, observou-se que o controle

de temperatura não fez com que a cauda do pico desaparecesse. Outra maneira de

tentar fazer com que o pico tenha melhor aparência seria alterar as características

da solução de eluição sendo que os parâmetros que podem ser alterados são o pH e

a concentração da mesma.

Figura 15 – Perfil de eluição da CPC após tentativa de melhoria do processo.

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4.2 CURVAS DE RUPTURA

Após obter o perfil de eluição da CPC na coluna recheada com a resina IRA

410 e verificar que houve boa interação entre o antibiótico e a resina, partiu-se para

a etapa de levantamento das curvas de ruptura. Através das curvas de ruptura é

possível se obter uma série de informações acerca do processo, como descrito na

seção de metodologia. Além disso, as curvas de ruptura servem também como base

para se realizar o aumento de escala do mesmo.

A obtenção das curvas de ruptura para a CPC na coluna recheada com a

resina IRA 410 foi feita seguindo o procedimento apresentado anteriormente na

seção de metodologia, variando-se a vazão do sistema A concentração da solução

de alimentação foi mantida constante e a eluição após a saturação do leito feita com

uma solução de NaCl 4,0% m/V. As frações coletadas foram analisadas por

espectrofotometria no UV em λ=260 nm. As curvas de ruptura foram obtidas com

base na metodologia de Geankoplis (2003) onde a razão entre a concentração final

sobre a inicial é registrada em função do tempo de corrida.

As curvas de ruptura da CPC foram obtidas com sucesso de acordo com a

metodologia proposta. O tempo necessário para se atingir o ponto de ruptura onde

C/C0= 0,1 foi rápido variando entre 1 a 6 minutos para as vazões utilizadas,

significando que a vazão não exerceu influência significativa sobre esse ponto. Para

as vazões de 2,8 e 5,3 mL.min-1 o ponto de ruptura ocorreu praticamente ao mesmo

tempo entre 1,5 a 2,5 minutos. Já para a vazão de 4,0 mL.min-1, o ponto demorou

um pouco mais para ocorrer em cerca de 6 minutos.

O tempo necessário para se obter valores de C/C0 próximos da unidade foi

menor quando a vazão do sistema foi mantida em 4,0 mL.min-1, nas outras vazões o

tempo decorrido para que isso ocorresse foi maior, portanto, não houve evidência de

uma relação entre vazão de operação do sistema e o tempo de saturação do leito.

Outro fato observado é que em nenhuma das vazões foi possível obter C/C0 = 1. Os

valores mais próximos encontrados foram, 0,932, 0,984 e 0,868 para os valores de

vazão de 5,3, 4,0 e 2,8 mL.min-1, respectivamente. Na vazão de 2,8 mL.min-1, os

valores de C/C0 ficaram bem abaixo da unidade apesar do longo tempo de

saturação. Já nas vazões de 5,3 e 4,0 mL.min-1, os valores obtidos foram próximos a

1, sendo que o maior valor de 0,984 foi encontrado para este último valor de vazão,

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apesar de que neste valor de vazão o tempo gasto para atingir o ponto de ruptura foi

maior do que nos outros ensaios.

Na Figura 16 está ilustrado comparativo entre as curvas de ruptura obtidas

nas vazões citadas anteriormente é mostrado.

Figura 16 – Comparativo das curvas de ruptura da CPC nas vazões de 2,8, 4,0 e 5,3

mL.min-1.

As curvas obtidas não seguiram um padrão de formato e também não

apresentaram relação entre a variação de vazão e o surgimento do ponto de ruptura,

ou relação da vazão com o tempo onde C/C0~1. Alguns fatores podem ter

influenciado neste comportamento aleatório apresentado. Devido a questões de

ordem técnica, a temperatura do ambiente em torno da coluna não pôde ser

controlada, além disso, os ensaios para cada vazão foram realizados em dias

diferentes. A falta de controle da temperatura aliada à variação climática de um dia

para o outro e até mesmo a variação ocorrida durante cada experimento pode ter

influenciado no comportamento do processo já que a temperatura é um fator

determinante em processos de adsorção. Segundo Collins (2006) a variação da

temperatura pode influenciar nas interações entre a molécula alvo e o adsorvente e

assim alterar o processo de adsorção. Nos trabalhos encontrados na literatura onde

são realizados experimentos para observar o comportamento de processos de

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adsorção (BARBOZA, HOKKA e MAUGERI, 2002 e BARBOZA, ALMEIDA e

HOKKA, 2003) nota-se que a temperatura é sempre controlada durante o

experimento. O controle de temperatura durante a cromatografia em coluna pode

ser realizada usando colunas encamisadas que permitem a passagem de água com

temperatura controlada através de banhos termostatizados, como observado no

trabalho de Oliveira (2013). Neste, a autora estuda o processo de purificação da

Cefamicina C e busca avaliar o processo de adsorção deste antibiótico em colunas

de leito fixo. Barboza, Almeida e Hokka (2003) estudaram o efeito da temperatura no

processo de adsorção do ácido clavulânico na resina IRA 400 e mostram que esse

fator influencia no processo de dessorção da molécula, que é facilitado pelo

aumento da temperatura.

Apesar da não uniformidade apresentada pelas curvas de ruptura obtidas foi

possível calcular os parâmetros do processo em coluna para cada vazão segundo a

metodologia proposta por Cren et al (2009) e por Geankoplis (2003). Os resultados

são vistos na Tabela 8.

Tabela 8 – Parâmetros da coluna nas três vazões estudadas.

Parâmetro/Vazão 2,8 mL/min 4,0 mL/min 5,3 mL/min

Tt (min) 25,612 14,812 18,698

Te (min) 61 36 72

Tu (min) 2,3746 6,4757 1,62485

Tb (min) 2,44 6,72 1,65

εr (%) 97,3 96,4 98,5

εf (%) 9,3 43,7 8,7

P (mg/min) 0,043 0,061 0,051

Ht (cm) 16,5 16,5 16,5

Hb (cm) 1,53 7,21 1,43

Hu (cm) 14,97 9,29 15,07

Fonte: O AUTOR, 2013.

As eficiências de remoção do soluto (εr) calculadas atingiram níveis

satisfatórios para todas as vazões estudadas. Foram obridos valores de eficiência

acima de 95%, mostrando que a resina foi capaz de reter a CPC da solução de

alimentação. Já as eficiências (εf) relacionadas ao uso da capacidade do leito

apresentaram valores baixos. Essas eficiências apresentaram os valores de 9,3,

43,7 e 8,7% para os valores de vazão de 2,8, 4,0 e 5,3 mL.min-1, respectivamente.

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Notou-se durante os cálculos que o fator A3, obtido segundo a metodologia proposta

por Cren et al (2009), e usado no cálculo da eficiência de uso do leito, apresentou

altos valores para todas as vazões. Esse fator, segundo a autora, está relacionado

com a parte do leito que não é usada de forma eficiente, já que parte da adsorção

ocorre entre o ponto de ruptura e o ponto onde C/C0~1. Segundo Geankoplis (2003),

essa região da curva, conhecida como zona de transferência de massa, quanto mais

estreita e íngreme gera melhor uso do leito. Dessa forma, algum processo paralelo

pode estar ocorrendo, como a formação de canais preferenciais, que impedem o uso

do leito seja mais eficiente durante o processo.

Comparando com o trabalho de Oliveira (2013) onde a autora usa a mesma

metodologia para obter os parâmetros da coluna recheada com a resina Sepharose

QXL na purificação da Cefamicina C, molécula bem parecida com a CPC, os

resultados mostram tanto a remoção eficiente do soluto, quanto o uso eficiente do

leito. Todos os valores obtidos foram acima dos 95%. Nota-se que as curvas de

ruptura obtidas pela autora em diferentes vazões mostram perfis semelhantes entre

si, e também se mostram bem íngremes e estreitas na região que vai do ponto de

ruptura ao valor de C/C0~1 (zona de transferência de massa). A região referente a A3

nas curvas da autora exibem baixos valores, refletindo em altas eficiências de uso

do leito.

Quanto à altura do leito usado nesse trabalho, observaram-se valores bem

baixos em relação à altura total do leito para as três vazões estudadas, e por

consequência, os valores de altura não usada do leito foram bem próximos ao valor

de altura total do leito. O fato de grande parte da altura do leito não ter sido usado

pode indicar que a coluna suporta maior quantidade de CPC. Esses resultados vão

de encontro aos baixos valores de eficiência de uso do leito obtidos a partir das

áreas das curvas de ruptura.

Apenas na vazão de 4,0 mL.min-1 nota-se o uso de 7,21 cm da altura do

leito, eficiência de uso de 43,7% porém, como a forma da curva de ruptura nesta

vazão apresentou considerável diferença das demais não é possível concluir se o

valor de eficiência de uso do leito e altura de leito usada são devido ao valor da

vazão ser o ideal para operação nas condições usadas ou se ocorreu algum erro

que levou aos resultados obtidos.

Os tempos tt e te se mostraram muito diferentes para todas as vazões, sendo

que a literatura indica que em situações favoráveis tt e te devem exibir valores

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próximos. Por outro lado os tempos tu e tb, apresentaram valores próximos. Esse

comportamento é o encontrado na literatura, que diz que tu e tb devem exibir valores

próximos (GEANKOPLIS, 2003; OLIVEIRA, 2013).

Os valores das produtividades foram baixos para todas as vazões

estudadas. O valor deste parâmetro é diretamente proporcional à relação entre tt e te,

como nos experimentos os valores de te foram altos em relação aos de tt, devido a

grande zona de transferência de massa exibida nas curvas, as relações entre os

tempos para cada vazão foram baixos, acarretando em baixos valores obtidos para

as produtividades.

Os valores de eficiência de uso do leito, tamanho usado do leito e o formato

da curva obtidos a vazão de 4,0 mL.min-1 foram muito diferentes dos valores obtidos

para outras vazões. Isso pode ter sido causado pela falta de controle na temperatura

e na vazão dos experimentos, causando diferenças nos resultados obtidos.

A fim de verificar se a temperatura e a vazão influenciaram de alguma forma

o processo de adsorção na coluna, os experimentos de obtenção das curvas de

ruptura foram repetidos. A temperatura do sistema pode influenciar os processos de

adsorção e dessorção da molécula na resina, acelerando ou desacelerando alguma

dessas etapas e assim alterar a forma das curvas de ruptura. Barboza, Almeida e

Hokka (2003) trabalhando com a adsorção do ácido clavulânico em resinas tipo

XAD, observaram que o aumento da temperatura favoreceu a dessorção da

molécula da resina. Como no presente trabalho a vazão era controlada

manualmente usando uma bureta, pode ter ocorrido algum erro associado a este

parâmetro durante a execução do experimento, podendo causar erros

principalmente quanto ao surgimento do ponto de ruptura. Os baixos valores de

eficiência de uso do leito e altura usada podem estar associados ao uso de um leito

muito grande para a concentração de CPC usada.

Nesta nova etapa, a temperatura foi controlada com o auxílio de uma coluna

encamisada acoplada a um banho termostatizado. A vazão foi controlada através de

uma bomba peristáltica conectada à entrada da coluna. Os experimentos foram

realizados nas mesmas condições iniciais, variando a vazão em 3,0, 4,0 e 5,0

mL.min-1 e mantendo a concentração de CPC a 4,0.10-2 g.L-1 e a temperatura

constante 25°C. Outra modificação feita foi diminuir o tamanho do leito, visando

aumentar a eficiência de uso do leito e a altura usada de forma eficiente.

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Na figura 17, as curvas de ruptura obtidas com o controle de temperatura e

vazão podem ser observadas.

Figura 17: Comparativo das curvas de ruptura com controle de temperatura e vazão.

De início pôde ser observado que mesmo com o controle da temperatura e

da vazão, as curvas não apresentaram um formato ideal como o visto na literatura

(GEANKOPLIS, 2003). Novamente a zona de transferência de massa, região que se

estende do ponto de ruptura até C/Co, se mostrou muito extensa e a região

associada ao fator A3 novamente teve altos valores, diferentemente do

comportamento ideal. Esse fato indica que os parâmetros não controlados

inicialmente não influenciaram no formato não ideal das curvas e que esses

formatos obtidos representam realmente o processo de adsorção da CPC na resina

IRA 410 nas condições de operação adotadas.

No trabalho de Lee e Moon (1999) os autores trabalham com o efeito do pH

na adsorção da CPC na resina neutra SP850. Os autores relatam que adsorção da

CPC nesta resina depende fortemente do pH, já que a mudança do mesmo faz com

que CPC se apresente de diferentes formas devido a sua natureza anfótera e essas

diferentes formas fazem com que a CPC tenha sua afinidade com a resina alterada.

Um dos efeitos que chamaram a atenção dos autores é que quando pH é colocado

em baixos valores as curvas de ruptura têm suas formas alteradas, se mostrando em

formas características de sistemas multicomponentes. Nas curvas obtidas para pH

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em torno 3,5 os autores obtiveram curvas de ruptura onde o formato apresenta

desvios do formato ideal. Nessas curvas também nota-se que C/Co não atinge valor

de 1. Os autores atribuem esses comportamentos ao fato de que nem todas as

moléculas estão na forma iônica, forma essa favorável para que haja interação com

a resina. Este fato também pode explicar o formato das curvas obtidas no presente

trabalho e também o fato de nem todas as curvas atingirem o valor de C/Co=1, já

que no pH de 3,6 nem toda a CPC está na forma aniônica, o que seria o necessário

para ocorrer a adsorção por troca aniônica com a resina IRA410.

Os pontos de ruptura surgiram mais rapidamente de acordo com o aumento

da vazão. Este tipo de comportamento é o esperado, já que o aumento da vazão faz

com que o mesmo tamanho de leito receba maior volume de solução de alimentação

em um mesmo tempo sendo saturado mais rapidamente. Na etapa anterior, o ponto

de ruptura referente à vazão de 4,0 mL.min-1 havia saído por último, nesta nova

etapa os pontos de ruptura seguiram a tendência normal. No trabalho de Oliveira

(2013) em que a autora obtém as curvas de ruptura da Cefamicina C em colunas

recheadas com a resina de troca iônica Sephadex QLX, o comportamento do

surgimento dos pontos de ruptura também se deu dessa forma, aparecendo em

menores tempos com o aumento da vazão.

É possível observar também que apesar do surgimento do ponto de ruptura

acontecer mais rapidamente em maiores valores de vazões, as diferenças entre os

tempos de surgimento nas três vazões não foram significativos, isso indica que o

sistema pode ser operado em qualquer dos três valores sem que haja perdas

significativas em termos econômicos, os valores de surgimento dos tempos de

ruptura variaram entre 2,5 a 5 minutos. Este comportamento pode ser atribuído ao

uso do controle de vazão, já que anteriormente, sem o uso do controle, não foi

observada a relação correta entre o aumento da vazão e o surgimento do ponto de

ruptura.

Outro ponto observado é que nas vazões de 4,0 mL.min-1 e 5,0 mL.min-1 foi

possível atingir C/Co=1, enquanto na vazão de 3,0 mL.min-1 o máximo atingido foi de

C/Co=0,935. Esse comportamento também foi observado nas curvas de ruptura

obtidas inicialmente, onde nas maiores vazões foi possível obter C/Co bem próximos

à unidade e na vazão mais baixa C/Co atingiu o valor máximo de 0,868. Nesta

etapa, os controles de temperatura e vazão possibilitaram que fossem atingidos

maiores valores de C/Co, já que anteriormente apesar da proximidade dos valores à

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unidade, nenhum atingiu o valor de C/Co=1, como ocorreu quando os experimentos

foram realizados com esses controles.

A fim de comparação foram calculados também os parâmetros da coluna

para os experimentos realizados com os controles de temperatura e vazão. Os

resultados são mostrados na Tabela 9.

Tabela 9- Parâmetros da coluna para os experimentos realizados com controle de

temperatura e vazão.

Parâmetro/Vazão 3,0 mL/min 4,0 mL/min 5,0 mL/min

Tt (min) 16,424 9,733 12,907

Te (min) 45 30 33

Tu (min) 4,235 3,5167 2,625

Tb (min) 4,30 3,56 2,71

εr (%) 98,5 98,8 96,9

εf (%) 25,8 36,1 20,3

P (mg/min) 0,044 0,052 0,078

Ht (cm) 10,0 10,0 10,0

Hb (cm) 2,58 3,61 2,03

Hu (cm) 7,42 6,39 7,97

Fonte: O AUTOR, 2014.

Os cálculos dos parâmetros do processo em coluna para os experimentos

com controle de temperatura e vazão mostraram primeiramente que os pares de

tempos tt e te novamente apresentaram diferenças significativas em seus valores,

mesmo com a diminuição do leito de 16,5 para 10,0 cm. Porém, essa diferença do

par de tempos foi menor do que aquela apresentada entre o mesmo par de tempos

dos ensaios iniciais. Ou seja, a diminuição do tamanho do leito mostra que há uma

tendência na aproximação dos tempos tt e te. O par tu e tb manteve o comportamento

anterior, de valores bem próximos.

A eficiência εr relacionada à capacidade do leito de remover o soluto

continuou apresentando valores acima de 95%, como anteriormente, sendo que o

maior valor atingido foi de 98,8%, quando a vazão do sistema foi de 4,0 mL.min-1. Os

valores obtidos foram satisfatórios, mostrando que a resina IRA 410 interage bem

com CPC.

Já a eficiência εf relacionada ao uso eficiente do leito, continuou

apresentando valores considerados baixos. Porém, em comparação aos valores

anteriormente obtidos, nota-se que houve um aumento significativo principalmente

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entre as vazões de 2,8 mL.min-1 inicial e 3,0 mL.min-1 neste experimento, saltando

de 9,3 para 25,8%, e entre as vazões 5,3 mL.min-1 inicial e 5,0 mL.min-1 neste

experimento, saltando de 8,7 para 20,3%. Para vazão de 4,0 mL.min-1 inicial para 4,0

mL.min-1 deste experimento, houve a redução de valor de 43,7% para 36,1%. Os

relativos aumentos podem devem estar associados ao menor tamanho de leito

utilizado, já que essa eficiência está diretamente relacionada aos parâmetros de

tempos e áreas que foram melhores com a diminuição do leito. O decaimento da

eficiência para vazão de 4,0 mL.min-1 mostra que pode realmente ter ocorrido erro

no experimento inicial, porém, observa-se também que apesar da suspeita do erro

inicial, novamente nesta vazão foi obtido o maior valor de eficiência do uso do leito,

indicando também que esta pode ser vazão ideal para trabalhar nas condições deste

trabalho.

As alturas usadas dos leitos também foram maiores do que as apresentadas

inicialmente quando comparadas aos respectivos pares. Esse fato mostra que a

diminuição do tamanho leito surtiu um leve efeito e se mostra como possível

caminho para aumentar a eficiência de uso do leito. Observa-se também que o

maior valor de uso do leito foi obtido para a vazão de 4,0 mL.min-1, reforçando a

ideia de que este valor de vazão pode ser o melhor para operar o sistema.

As produtividades obtidas não foram significativamente maiores do que as

obtidas inicialmente, isso se deve ao fato da dependência deste parâmetro da

relação entre tt e te, que continuou baixa devido a grande diferença entre esse par de

tempos. Observou-se também o aumento proporcional da produtividade de acordo

com o aumento da vazão do sistema.

Os resultados obtidos indicam que para os trabalhos futuros a escala da

coluna pode ser projetada para diminuir ainda mais o tamanho do leito e quantidade

de resina, ou ainda, aumentar a concentração da CPC na solução de alimentação

mantendo-se o tamanho do leito, a temperatura constante. E assim identificar se de

fato o tamanho do leito é o principal influente nos valores de eficiência de uso do

leito e altura usada. Outro ponto que pode ser abordado é se variação de

temperatura pode alterar a forma das curvas de ruptura, melhorando-as.

Portanto neste estudo, as ações tomadas a fim de melhorar os parâmetros

da coluna foram direcionadas de maneira correta, já que o controle de vazão trouxe

uniformidade e comportamento esperado aos tempos de ruptura, e o controle de

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temperatura associado à diminuição do tamanho do leito trouxe aumento no valor de

eficiência de uso do leito e altura usada.

4.3. CINÉTICA E ISOTERMA DE ADSORÇÃO

4.3.1 Cinética de adsorção

A fim de estudar o comportamento da CPC na resina IRA410 foram

realizados experimentos a cerca da cinética e da isoterma de adsorção.

Primeiramente para se obter indicações de como ocorre a variação da concentração

de CPC ao longo do tempo e também de possíveis mecanismos foi realizado o

experimento de cinética. O resultado obtido é mostrado na Figura 18.

Figura 18 – Cinética de adsorção da CPC na resina IRA410 a 30°C.

Nota-se primeiramente que o processo entra em equilíbrio em curto período

de tempo, já que em cerca de 5,5 minutos já não é possível notar mais variação na

relação entre as concentrações inicial e final. Até o fim do experimento em 60

minutos a relação entre as concentrações manteve-se constante, indicando que

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realmente o sistema atingiu o equilíbrio. Nota-se também que a resina foi capaz de

adsorver aproximadamente 45% da CPC da alimentação inicial, já que no equilíbrio

C/Co atingiu o valor de 0,55.

Para obter parâmetros quantitativos e propor algum mecanismo para o

processo de adsorção da CPC na resina IRA410 a curva de cinética foi ajustada a

modelos de reação de primeira e segunda ordem. Para obtenção do modelo de

primeira ordem foi traçado um gráfico do logaritmo natural da concentração final

(Ln(Cf)) em função do tempo (t), sendo que, o intervalo de tempo usado foi do inicio

do processo até o tempo onde o sistema atinge o equilíbrio em 5,5 minutos. Já para

o ajuste de segunda ordem, traçou-se um gráfico de um sobre a concentração final

de CPC (1/Cf) em função do mesmo intervalo de tempo (t) descrito no ajuste de

primeira ordem. A figura 19 a seguir mostra o comportamento cinético ajustado aos

dois modelos.

Figura 19 – Ajuste da cinética de adsorção da CPC na resina IRA410 aos modelos de

reação de primeira e segunda ordem.

Através do ajuste aos modelos de primeira e segunda ordem pode-se

observar que o processo de adsorção da CPC na resina ficou mais bem ajustado ao

modelo de segunda ordem, já que o R2=0,99 do modelo de segunda ordem foi maior

que o R2=0,94 do modelo de primeira ordem. Este resultado vai de acordo com a

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suposição da existência de uma possível “reação” entre a CPC e a resina formando

um complexo no sítio ativo da mesma. É possível inferir também que tanto a

concentração da CPC quanto a concentração (quantidade) de resina são

importantes para o processo de adsorção. A constante K encontrada para o

processo de segunda ordem apresentou o valor de 3,011L.g-1.s-1.

Barboza, Hokka e Maugeri (2002) estudaram o mecanismo de adsorção da

CPC na resina XAD2, e apesar das características desta resina serem distintas das

características da resina IRA410, os autores também trabalham com a possibilidade

do mecanismo de adsorção se basear em uma reação entre a CPC e o sítio ativo da

resina, sendo que suas suposições são corroboradas por simulações que se

aproximam com bastante fidelidade aos resultados experimentais.

No caso do processo de adsorção da CPC na resina IRA410 pode-se propor

então um mecanismo, baseado no mecanismo geral proposto por Barboza, Hokka e

Maugeri (2002), também com base nos resultados obtidos nos ajustes cinéticos e

levando-se em conta a troca iônica e a dependência das concentrações de CPC e

de resina, como mostrado a seguir.

4.3.2. Isoterma de adsorção

Outro ponto investigado no processo de adsorção da CPC na resina IRA410

foi o comportamento da isoterma de adsorção. As isotermas de adsorção da CPC já

foram bastante exploradas na literatura, porém, todos os estudos encontrados

abordam os processos realizados em resinas neutras como adsorvente. Nesta etapa

obteve-se uma isoterma a 30°C do processo de adsorção da CPC na resina IRA410,

onde q* é a concentração de CPC na fase sólida (resina) e Cf* a concentração de

CPC na fase líquida. O resultado é observado na figura 20.

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Figura 20 - Isoterma de adsorção da CPC na resina IRA410 a temperatura de 30°C.

Inicialmente é possível observar que a isoterma tem uma tendência linear

bastante acentuada, visto que o ajuste linear realizado levou a um R2= 0,99. Este

resultado vai de encontro ao comportamento visto na literatura, já que vários autores

destacam que ao se trabalhar em regiões de soluções diluídas o comportamento das

isotermas tende a ser descrito pela lei de Henry que é uma relação linear

(GEANKOPLIS, 2003, CHAUBAU, 1995). Neste caso as soluções de alimentação

usadas foram de concentração 10,4, 30,2, 44,1 e 58,1 mg.L-1, respectivamente, ou

seja, soluções de baixa concentração. O valor de K encontrado para o modelo foi de

8,71.10-3 L.g-1, como não foram encontrados dados sobre o processo de adsorção

em resinas trocadoras de íons o K encontrado não pode ser comparado com outros

K de mesma natureza. Os valores descritos para outras resinas que adsorvem a

CPC, como as neutras XAD2, XAD4 e XAD16 têm isotermas ajustadas por outras

relações como Langmuir e Freundlich, fato que dificulta a comparação com o

resultado obtido para a IRA410.

Como o R2 para o ajuste foi igual a 0,99 pode-se concluir que o sistema

operado a 30°C e pH de 3,6 na faixa de concentração estudada de 10,4 a 58,1 mg.L-

1 é bem representado pelo modelo linear. Em trabalhos futuros, as isotermas serão

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obtidas em diferentes valores de temperatura e também em diferentes valores de pH

a fim de coletar mais dados a cerca do processo de adsorção da CPC na resina

IRA410 e também em termos de comparação entre os parâmetros.

4.4. SEPARAÇÃO DA CPC E METIONINA

O aminoácido metionina é considerado um potencial contaminante do caldo

fermentado de onde a CPC é obtida, já que o mesmo é adicionado na alimentação

do sistema e pode não ser totalmente consumido. A fim de verificar a possibilidade

de separar a CPC do aminoácido metionina que é um potencial contaminante do

caldo fermentado usando a resina IRA410 foi realizado um experimento simulando

um caldo contendo a CPC e a metionina. A solução mimética foi preparada a uma

concentração de 4,9.10-2 g.L-1 de CPC e também de metionina e o pH ajustado para

3,6. A solução foi injetada na coluna cromatográfica recheada com a resina IRA410,

até que o sistema atingisse o ponto de ruptura. Essa alimentação foi planejada a

partir dos dados obtidos anteriormente através das curvas de ruptura. A eluição foi

realizada com soluções de cloreto de sódio nas concentrações de 0,1, 0,5, 1,0 e

4,0% m/V, em modo gradiente degrau. A análise das frações coletadas foi realizada

através de espectrofotometria no UV/Visível em comprimento de onda de 260 nm. A

quantificação da metionina foi realizada através de cromatografia líquida de alta

eficiência utilizando-se um Cromatógrafo com detector de arranjo de diodos (Waters

996 – PDA), uma coluna de fase reversa (µ-Bondapak C18 - 3,9 x 300 mm) e o

equipamento foi operado dentro das seguintes condições: vazão de 2,5 mL.min-1,

temperatura de 28C e os picos foram detectados em 220 nm.

O cromatograma da separação entre CPC e a metionina é observado na

figura 21.

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Figura 21- Cromatograma obtido da separação entre CPC e metionina.

Observa-se no cromatograma que na região de alimentação do sistema o

planejamento foi executado com sucesso, com a concentração de CPC

ultrapassando um pouco o ponto de ruptura da coluna. Este planejamento faz com

que a alimentação seja realizada de forma a evitar o desperdício da solução que

alimenta o sistema, e que o mesmo seja usado com eficiência.

Na etapa de lavagem também é observado um resultado satisfatório, já que

praticamente todo material não adsorvido é lavado da coluna visto que as

concentrações das substâncias neste período são iguais a zero para metionina e

igual a 0,09.10-2 g.L-1 para a CPC no momento anterior ao que a eluição é iniciada.

A eluição foi iniciada com a solução de cloreto de sódio a 0,1%, durante o

período que essa solução foi aplicada na coluna. Notou-se que a CPC começou a

ser removida, atingindo um valor máximo de 1,2.10.10-2 g.L-1. Em seguida, a

concentração da solução de eluição foi aumentada para 0,5%, neste período a CPC

continuou sendo dessorvida da coluna, apresentando um máximo de concentração

de 0,89.10-2 g.L-1. A concentração da solução de eluição foi aumentada mais duas

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vezes, para 1,0 e 4,0%, respectivamente, porém não foram observados mais picos

referentes à CPC durante o restante da corrida cromatográfica.

O pico referente à CPC obtido mostrou-se largo sem formato definido e

saindo durante um grande período de tempo. Esse comportamento se deve ao modo

de eluição aplicado que começou com soluções de NaCl diluídas, fazendo com que

a CPC fosse se dessorvendo da resina aos poucos e de forma lenta, causando o

alargamento do pico. Esse modo de eluição se mostrou menos eficiente do que o

modo isocrático aplicado nos experimentos de ruptura. O alargamento do pico causa

desvantagens econômicas já que o produto de interesse sairá da coluna menos

concentrado e distribuído em maior volume de solvente.

Com relação à metionina observou-se que a mesma foi detectada apenas

durante a alimentação do sistema e durante a etapa de lavagem. A metionina não foi

detectada durante a etapa de eluição. Esse resultado indica que a mesma não foi

adsorvida na resina. Este fato pode ser atribuído ao efeito do pH de 3,6 da solução.

A metionina possui valores de pK iguais a 2,28 e 9,21 (NELSON, COX, 2000).

Abaixo do valor de 2,28 a molécula deste aminoácido encontra-se totalmente

protonada (carregada positivamente). Acima do valor de 9,21 a metionina encontra-

se totalmente desprotonada (carregada negativamente). Por fim, em valores ao

longo do intervalo de 2,28 e 9,21 a metionina encontra-se em um estado onde seu

grupamento amino está protonado e o grupo ácido carboxílico desprotonado, desta

forma, a molécula apresenta uma carga líquida igual zero. A figura 22, mostra os

estados da molécula da metionina de acordo com os valores de pH.

Figura 22: Estados da molécula da metionina de acordo com seu pK.

Fonte: O AUTOR (Desenho no programa Chemsketch®, 2014).

Este fato faz com que, provavelmente, a metionina comporte-se como uma

molécula neutra não sendo adsorvida na resina IRA410, passando diretamente pela

coluna.

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5. CONCLUSÕES

A primeira etapa experimental mostrou que a CPC interagiu bem com a

resina. Foi possível obter o perfil de eluição do antibiótico em diferentes

concentrações. Os perfis obtidos não mostraram diferenças significativas, mostrando

que a resina é capaz de adsorver a CPC em diferentes condições de concentração.

O melhoramento do perfil de eluição foi realizada com sucesso, a CPC

adsorveu na resina IRA 410, a etapa de lavagem realizada com maior quantidade de

água possibilitou a completa remoção de CPC não adsorvida do leito. A eluição do

antibiótico realizada com a solução de cloreto de sódio a 4% m/v se mostrou

eficiente, o pico obtido não é largo e elui em um tempo pequeno a partir da aplicação

da solução de eluição, sendo assim, viável economicamente. A diminuição do

tamanho do leito fez com a CPC fosse recuperada em um menor intervalo de tempo.

Das curvas de ruptura em diferentes vazões foi possível obter os parâmetros

relacionados à coluna. Os parâmetros da coluna que foram inicialmente obtidos

mostraram altos valores de eficiências com relação à remoção do soluto da solução,

porém, as eficiências de uso do leito, as alturas usadas do leito e a produtividade do

processo apresentaram valores baixos. Outro fato observado foi que as curvas de

ruptura não apresentaram formatos parecidos, sendo que em todas houve a

presença de uma área grande entre o ponto de ruptura e o ponto onde a

concentração de produto na saída da coluna é próxima a concentração da solução

de alimentação inicial, contrariando dessa maneira o perfil dito desejável pela

literatura, que diz que a curva deve exibir nessa região um perfil íngreme e estreito

que gera o uso eficiente do leito.

Por não ter havido o controle de temperatura e vazão durante a obtenção

das primeiras curvas de ruptura, os experimentos foram repetidos controlando a

vazão e a temperatura, além de diminuir o tamanho do leito. As ações tomadas

fizeram com que os pontos de ruptura seguissem a tendência descrita na literatura

onde processos com vazão maior tendem a apresentar o ponto de ruptura em

tempos menores daqueles operados com vazões mais baixas, promoveram a

aproximação dos tempos tt e te, aumentaram a eficiência de uso do leito, porém os

resultados ainda foram baixos. Essas ações levaram também a obtenção de perfis

semelhantes para as curvas em todas as vazões estudadas, porém, esses formatos

ainda desviaram consideravelmente daqueles descritos na literatura.

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Quanto à cinética pode-se concluir que foi o processo foi bem ajustado ao

modelo de reação de segunda ordem e, além disso, foi possível atribuir um possível

mecanismo de adsorção baseado em suposições descritas na literatura e nos

resultados obtidos. A isoterma obtida a 30°C, pH 3,6 e faixa de concentração de

10,4 a 58,1 mg.L-1 de CPC foi bem ajustada ao modelo linear. Este resultado é

apoiado pelos resultados descritos na literatura, onde para soluções diluídas as

isotermas tendem a seguir a lei de Henry que possui forma linear.

A estratégia usada para separar a CPC do contaminante metionina mostrou-

se satisfatória, já que a metionina não interagiu com a resina e saiu da coluna logo

que injetada, já a CPC foi adsorvida como previsto anteriormente e, em seguida

recuperada através da eluição com soluções de cloreto de sódio. Neste ponto notou-

se também que a forma de eluição por gradiente não proporcionou melhorias e o

modo de eluição isocrático usado nos ensaios de ruptura mostrou-se mais eficiente

já que faz com a CPC seja recuperada em menor tempo e em menos frações,

gerando economia de tempo e também de consumíveis para o processo.

Por fim, conclui-se que é viável o uso resina IRA410 como recheio da coluna

e o emprego da técnica de cromatografia de troca iônica para purificação da CPC

nas condições avaliadas no presente trabalho.

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6. TRABALHOS FUTUROS

Futuramente existe a possibilidade de aumentar a complexidade do caldo

mimético para verificar as interações entre a resina IRA 410 e os aminoácidos

metionina, cisteína e valina, sendo que estes dois últimos também são

contaminantes do caldo. Ou ainda, trabalhar com um caldo fermentado original

oriundo da produção do antibiótico. Estudar as curvas de ruptura dos compostos a

fim de se obter as melhores condições de trabalho para o processo em coluna.

Existe também a possibilidade de estudar o efeito da variação do pH do

meio onde a CPC é solubilizada sobre os parâmetros do processo, já que o pH é de

extrema importância devido a natureza anfótera da molécula de CPC. Os efeitos do

pH sobre o processo cinético e também sobre as isotermas de adsorção da CPC na

resina IRA410 também poderão ser estudados.

Por fim, nota-se a possibilidade da aplicação de diferentes resinas para a

realização do processo o que seria importante para fins de comparação entre as

resinas e poder escolher aquela que melhor atende as condições de trabalho.

Obtendo curvas de ruptura e isotermas em diferentes temperaturas e também com

maiores concentrações de CPC.

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ANEXO

Propriedades da resina IRA 410.

Propriedade Especificação

Forma física Esferas amarelas pálidas

Matriz Copolímero Estireno Divinilbenzeno

Grupo funcional Dimetiletanol amômio

Forma iônica trocadora Cloreto

Capacidade total de troca ˃ 1,25 eq/L (Forma Cloreto)

Capacidade de retenção de umidade 40 a 51% (Forma Cloreto)

Tamanho de partícula médio 0,6 a 0,75 mm

Inchaço reversível ˂ 20%

FONTE: SITE SIGMA-ALDRICH, 2013.